Охлаждение до (почти) абсолютного ноля [2veritasium]
Угу, вот [музыка]. Как снизить температуру ниже точки жидкого гелия? Да, это невероятно интересная тема! Для такого трюка нужна специальная машина с кучей колбочек, трубочек и металлических планок, спаянных вместе. И все это завязано на квантовую механику.
В основе лежит идея нулевых колебаний. Даже при абсолютном нуле частицы не стоят на месте из-за принципа неопределенности Гейзенберга. Если мы точно знаем положение частицы, то мы не знаем точно ее импульс. То есть, она двигается. В итоге у одних частиц мы знаем только положение, а у других только импульс. По сути, они колеблются, а насколько сильно зависит от их массы.
В нулевой точке энергии легкая частица будет колебаться сильнее, чем тяжелая. При абсолютном нуле возьмем атом гелия-3, который, разумеется, на четверть легче атома гелия-4. Атом гелия-3 колеблется как-то так, примерно так, а там гелий-4 тоже, но меньше — он тяжелый.
Теперь давайте сравним, какова сила притяжения между, скажем, двумя атомами гелия-3 и атомами гелия-3 и гелия-4. Атомы гелия крайне неохотно притягиваются, поскольку это благородный газ; он вообще ни с чем не реагирует, не образует химических связей. Но если сильно сблизить два атома гелия, он все же будет слегка притягиваться, очень-очень-очень слабо — тут ван-дер-ваальцевой силы. Да, речь именно об этом.
И тут большую роль играет расстояние. Оказывается, что силы притяжения, силы ван-дер-ваальса между гелием-3 и гелием-4 несколько больше, чем между двумя атомами гелия-3, потому что дальше мы используем этот фактор для достижения максимально низких температур. Наполняем емкость раствором гелия-3 и гелия-4. Он нужен в жидком виде. Можно предположить, что гелий-трим окажется наверху, потому что он легче, а гелий-4 — внизу.
Но поскольку гелий-3 сильнее притягивается к гелию-4, чем к самому себе, иногда его атомы будут спонтанно опускаться и оставаться в слое, где у нас гелий-4. И оказывается, что концентрация составляет 6,4%. Равновесная концентрация при абсолютном нуле — 6,4% гелия-3 спонтанно растворяются в гелии-4.
А дальше нам понадобится, как вы это называете, YouTube, только не в смысле видеоплатформы, а по нашему — двухколенчатая труба. Вот она, труба: мы заполняем ее раствором нашего гелия и видим, что с одной стороны образуется слой чистого гелия-3, а все остальное — гелий-4, и в нем 6,4% гелия-3.
Дальше подсоединяем к этой трубе насос, который будет качать раствор справа налево. Важный момент: гелий-3 и гелий-4 — они как алкоголь и вода при дистилляции водки или другого напитка на ваш вкус. Мы нагреваем сосуд, и, так как алкоголь закипает быстрее, чем вода, начинают выделяться спиртосодержащие пары, и получается самогон. Здесь то же самое: мы дистиллируем гелий-3 из гелия-4. У гелия-3 кипение ниже, чем у гелия-4, так что при нужной температуре отсюда будет испаряться только гелий-3, гелий-4 остается в трубе.
А гелий-трим уходит, принцип тот же: при испарении гелия-3 вот в этой области снижается его концентрация. Здесь будет два или три процента гелия-3, в результате чего возникнет осмотическое давление, которое будет подтягивать гелий-3 из левой части трубы в правую, чтобы уравнять концентрацию раствора.
А здесь граница раздела чистого гелия-3, плавающего на поверхности. И теперь, когда концентрация упала, новые атомы гелия-3 могут перейти в фазу гелия-4. И в этот момент они поглощают теплоту, энтропия растет. Когда атомы из чистой фазы переходят в разбавленную, вот на этой границе фаз и происходит поглощение теплоты.
Если подключить сюда, например, схему со спиновым кубиком, то можно проводить разные любопытные эксперименты. Тепло будет изыматься из того, что вы сюда прикрутили и уходить в этот циркулирующий поток гелия. Я приведу аналогию с супом: предположим, вы сварили суп, но не можете его есть, потому что он слишком горячий. Что же делать? Подуть на него струей воздуха.
Вы пытаетесь нарушить тепловое равновесие, концентрацию пара над супом. Суп нагрелся до 100 градусов, и воде требуется однородная атмосфера из пара, но так как суп находится не в вакууме, пар будет рассеиваться. И тем, что вы на него дуете, вы ускоряете этот процесс рассеивания неупорядоченных частиц в жидкостно-правой смеси. Пар — это ведь неупорядоченная энтропийная часть, в отличие от жидкости.
Когда вы дуете на суп, вы по сути избавляетесь от неупорядоченных частиц, примерно как здесь с атомами гелия-3. Затем некоторые атомы с упорядоченной стороны из чистой жидкости прыгают в беспорядочную среду. Так же как молекулы вашего супа будут быстрее испаряться, если на него подуть. В результате суп остывает, потому что вы выгоняете энергетические беспорядочные частицы жидкости, фазу, которая затем исчезает.
Каков рекордный минимум? В нашей лаборатории нам удавалось охладить смесь до 20 милликельвинов. Насколько я знаю, рекорд составляет где-то 1.9 милликельвонов, что интересно. Именно такое устройство, которое вообще-то называется рефрижератор растворения, используется для охлаждения гравитационной антенны.
Там такая сфера диаметром 65 см и массой в полторы тонны из медно-алюминиевого сплава. Ее охлаждают с помощью этого устройства до 20 милликельвонов, чтобы видеть изменения формы. Когда проходит гравитационная волна, вызванная, скажем, взрывом сверхновой, такой сплав размером в 65 см и весом в полторы тонны будет сжиматься и расширяться под воздействием этой волны, но всего на 10 в минус 20 метра. Это меньше 1 миллиардной атома, даже меньше, чем ядро атома.
Как такое вообще можно измерить? И все же можно. Там стоят сенсоры, которые работают на принципах квантовой механики. Они могут засечь изменения в 10 в минус 21 метра. Так что у них есть запас в один знак, чтобы понять, действительно ли этот охлажденный шар расширяется и сжимается собственно из-за гравитационной волны. Это всего один пример того, что можно делать с низкими температурами.
А зачем такие низкие значения? Все дело в том, что в противном случае обычные тепловые колебания перекрывали бы гравитационные волны. Переведено и озвучено студией Vert Dayder.