Что такое абсолютный ноль? [Fraser Cain]
[музыка] Канадцам особо нечем гордиться, но мы можем похвастаться способностью переносить низкие температуры. Сам я живу на Западном побережье. Мы тут все неженки, температура ниже нуля здесь почти не бывает.
Но вообще в Канаде бывают такие холода, что мозг замерзает, а пальцы отваливаются. Есть друг в Виннипеге, это на юге Канады, так вот, прошлой зимой там был -31, но ощущалось как минус 50. В тот же самый день на Марсе было -29. На Марсе было теплее, вдумайтесь, чем в Виннипеге. Но учёные знают, в космосе бывают температуры и пониже.
Для их измерения даже используют специальную шкалу Кельвина. Она показывает, насколько температура отличается от минимально возможного значения абсолютного нуля. По шкале Цельсия абсолютный ноль - это -273,15 °C, а по Фаренгейту - 460,67 °F. Ну а по шкале Кельвина всё намного проще: абсолютный ноль - это 0 К.
А вот тут осторожно! Мы вышли на минное поле неверного употребления терминов. Неправильно говорить "0 градусов Кельвина". Градусы не нужны, просто "ноль Кельвина". Одно дело, когда вы измеряете что-то от произвольной точки, например угол поворота 15°, и другое, когда вы измеряете относительно абсолютной точки, в частности от самой низкой температуры, заданной природой.
Градусы здесь не нужны, потому что это абсолют. Абсолютный ноль, наверняка я не раз говорил неправильно. Попробуйте уследить: ноль - это минимальный теоретический предел температуры, которую может иметь физическое тело. В этой точке из системы нельзя извлечь тепловую энергию или совершить работу, полный штиль.
Но это всё теория; на практике абсолютный ноль недостижим. Ведь чтобы охладить тело, надо совершить работу по извлечению тепла. Чем ниже температура, тем больше работы. Чтобы достичь абсолютного ноля, нужно совершить бесконечное количество работы. Но это абсурд!
В школе вам наверняка рассказывали, что температура газа связана со скоростью движения его частиц. Когда вы охлаждаете газ, забирая у него тепло, частицы замедляются. Возникает мысль, что если охладить что-либо до абсолютного нуля, любое движение частиц прекратится. Но это не так! С точки зрения квантовой механики вы не можете одновременно знать положение и импульс частиц. Если бы частица остановилась, мы знали бы её импульс – ноль, и положение. Вот же она!
Но Вселенная со своими законами не может этого допустить из-за принципа неопределённости Гейзенберга. Выходит, какое-то движение должно сохраняться. Даже при абсолютном нуле, который недостижим. Но тепла из него вы не получите.
Боль был одним из первых, кто предположил существование минимально возможной температуры, которую он назвал примум фридум в 1702 году. Гим Антон создал термометр, который показывал минимальную температуру -240° по Цельсию. Почти, но не совсем. Именно Кельвин в 1848 создал абсолютную шкалу, которая начинается с отметки -273 °C.
Но Кельвины по сравнению с этим в тот морозный день в Виннипеге были 223 К. Взглянем на поверхность Плутона: минимальная температура там 33 К, а максимальная 55 К – это -240° и -21° по Цельсию соответственно.
Средняя фоновая температура во всей Вселенной составляет всего 2,7 К. Как правило, холоднее всего на коче просторов между скоплениями галактик. Со временем фоновая температура будет и дальше снижаться, но она никогда не достигнет абсолютного нуля, даже через Google лет.
Когда испарится последняя сверхмассивная чёрная дыра и во всей Вселенной не останется полезного тепла, астрономы называют это мрачное будущее тепловой смертью Вселенной. То есть, когда всё тепло исчезнет навсегда, это грустно.
Возможно, вы удивитесь, но самая низкая температура во Вселенной встречается на Земле, по крайней мере иногда. И если принять, что у инопланетян технологии не круче наших, хотя это вряд ли. Пока я записываю это видео, физики с помощью лазеров охлаждают газ рубидий 87 до 170 нано К, что самую малость выше абсолютного нуля. Они уже получили Нобелевскую премию за открытие конденсата.
Бо NASA работает над новым проектом Atom Lab. На МКС отправят мобильную станцию, которая сможет охладить материю до 100 пико К. Это очень холодно!
Подведём итоги: абсолютный ноль - это минимальный теоретический предел температуры, точка, при которой из системы невозможно извлечь тепловую энергию. Никогда не говорите "градусы Кельвина" – знающие люди не оценят. Вселенная отстала от нас в том, что касается вопросов охлаждения. Пока 1:0 в нашу пользу.
Напишите, с какой самой низкой температурой вы сталкивались лично. Мой опыт - это Буффало в декабре. Ужасно переведено и озвучено студией Верт Дайдер.