Что такое температура абсолютного нуля и возможно ли ее достичь

Абсолютный ноль

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте разберемся, что такое температура. Мы привыкли думать о температуре как о том, насколько что-то горячее или холодное, но на самом деле это мера энергии или вибрации всех частиц в системе. Горячие объекты имеют больше энергии, поэтому их частицы могут вибрировать быстрее. Точка, в которой частицы вообще не имеют энергии – и, следовательно, прекращают движение, – это то, что определяется как абсолютный ноль.

Смотрите также Ученые обнаружили древнейшие доказательства фотосинтеза

Ученые заинтересованы в достижении таких низких температур, поскольку при замедлении частиц возникает немало интересных квантовых эффектов.

Ранние эксперименты со сверхнизкими температурами в 1990-х годах использовали технику, известную как лазерное охлаждение, чтобы начать исследовать эти эффекты. Свет при в таком случае воздействует на атомы с силой, которая замедляет их до довольно низких температур, около 1 кельвина (минус 272,15 градуса. Это достаточно низкая температура, чтобы наблюдать квантовое поведение в твердых телах и жидкостях, но для газов, которые мы изучаем, нам нужны температуры в 10 нанокельвинов, чтобы получить эти квантовые эффекты.

Самая низкая температура, когда-либо зафиксированная в лаборатории, была достигнута группой в Германии в 2021 году. Команда сбрасывала намагниченные атомы газа с башни высотой 120 метров, постоянно включая и выключая магнитное поле, чтобы замедлить частицы почти до полной остановки. В этом типе эксперимента, известном как охлаждение в магнитной ловушке, газообразные частицы достигли невероятных 38 пикокельвинов – 38 триллионных частиц градуса выше абсолютного нуля и в пределах диапазона, позволяющего начать наблюдение квантовых эффектов в газах.

Но есть ли смысл пытаться охладить материалы еще больше? По мнению ученых, пожалуй, нет.

Нас гораздо больше интересуют эти квантовые эффекты, чем достижение абсолютного нуля. Атомы с лазерным охлаждением уже используются в атомных стандартах, определяющих всемирное время (атомные часы) и квантовые компьютеры. Низкотемпературная работа все еще находится на стадии исследования, и люди используют эти методы для проверки универсальных физических теорий,
– говорит Кристофер Фут, физик сверхнизких температур из Оксфордского университета.

Сейчас невозможно охладить этот последний 38 триллионный градус. Чтобы это стало реальностью, нужно преодолеть еще несколько препятствий. На самом деле даже если мы достигнем абсолютного нуля, мы можем и не заметить его из-за неточности методов измерения. С помощью нынешних инструментов мы не сможем сказать, ноль ли это или просто очень, очень маленькое число. Чтобы измерить абсолютный ноль, нужен безгранично точный термометр, а это выходит за пределы наших нынешних измерительных систем.