0 градусов по кельвину: Что такое абсолютный ноль? — Hi-News.ru

Что такое абсолютный ноль? — Hi-News.ru

Что такое абсолютный ноль (чаще — нуль)? Действительно ли эта температура существует где-либо во Вселенной? Можем ли мы охладить что-либо до абсолютного нуля в реальной жизни? На эти и другие любопытные вопросы мы постараемся ответить в этой статье.

Так что же такое абсолютный температурный ноль?

Есть масса причин, по которым стоит интересоваться пределами холодного. Возможно, вы невероятный суперзлодей, который использует силу замораживания, и хотите понять степень вашей силы. Или вам интересно, можно ли обогнать волну холода. Давайте исследуем самые дальние пределы холодной температуры.

«Действительно ли движение останавливается, достигая абсолютного нуля? Можем ли мы достичь этой отметки?»

Начнем с очевидного.

Содержание

• 1 Что такое абсолютный ноль?
• 2 Когда останавливаются молекулы и атомы?
• 3 Можно ли достичь абсолютного нуля градусов?
• 4 Что происходит при 0 Кельвина?
• 5 Почему есть абсолютный ноль, но нет абсолютного максимума?

Что такое абсолютный ноль?

Даже если вы не физик, вы, вероятно, знакомы с понятием температуры. Но если вдруг вам не повезло, вы выросли в лесу или на другой планете, вот краткий обзор.

Температура — это мера измерения количества внутренней случайной энергии материала. Слово «внутренней» очень важно. Бросьте снежок, и хотя основное движение будет достаточно быстрым, снежный ком останется довольно холодным. С другой стороны, если вы посмотрите на молекулы воздуха, летающие по комнате, обычная молекула кислорода жарит со скоростью тысяч километров в час.

Мы обычно умолкаем, когда речь заходит о технических деталях, поэтому специально для экспертов отметим, что температура немного более сложная вещь, чем мы сказали. Истинное определение температуры подразумевает то, сколько энергии вам нужно затратить на каждую единицу энтропии (беспорядка, если хотите более понятное слово; подробнее об энтропии). Но давайте опустим тонкости и просто остановимся на том, что случайные молекулы воздуха или воды в толще льда будут двигаться или вибрировать все медленнее и медленнее, по мере понижения температуры.

Абсолютный ноль — это температура -273,15 градусов Цельсия, -459,67 по Фаренгейту и просто 0 по Кельвину. Это точка, где тепловое движение полностью останавливается.

Когда останавливаются молекулы и атомы?

В классическом рассмотрении вопроса при абсолютном нуле останавливается все, но именно в этот момент из-за угла выглядывает страшная морда квантовой механики. Одним из предсказаний квантовой механики, которое попортило кровь немалому количеству физиков, является то, что вы никогда не можете измерить точное положение или импульс частицы с совершенной определенностью. Это известно как принцип неопределенности Гейзенберга.

Если бы вы могли охладить герметичную комнату до абсолютного нуля, произошли бы странные вещи (об этом чуть позже). Давление воздуха упало бы практически до нуля, и поскольку давление воздуха обычно противостоит гравитации, воздух сколлапсирует в очень тонкий слой на полу.

Но даже в этом случае, если вы сможете измерить отдельные молекулы, вы обнаружите кое-что любопытное: они вибрируют и вращаются, совсем немного — квантовая неопределенность в работе. Чтобы поставить точки над i: если вы измерите вращение молекул углекислого газа при абсолютном нуле, вы обнаружите, что атомы кислорода облетают углерод со скоростью несколько километров в час — куда быстрее, чем вы предполагали.

Разговор заходит в тупик. Когда мы говорим о квантовом мире, движение теряет смысл. В таких масштабах все определяется неопределенностью, поэтому не то чтобы частицы были неподвижными, вы просто никогда не сможете измерить их так, словно они неподвижны.

Можно ли достичь абсолютного нуля градусов?

Стремление к абсолютному нулю по существу встречается с теми же проблемами, что и стремление к скорости света. Чтобы набрать скорость света, понадобится бесконечное количество энергии, а достижение абсолютного нуля требует извлечения бесконечного количества тепла. Оба этих процесса невозможны, если что.

Несмотря на то, что мы пока не добились фактического состояния абсолютного нуля, мы весьма близки к этому (хотя «весьма» в этом случае понятие очень растяжимое; как детская считалочка: два, три, четыре, четыре с половиной, четыре на ниточке, четыре на волоске, пять). Самая низкая температура, когда-либо зарегистрированная на Земле, была зафиксирована в Антарктиде в 1983 году, на отметке -89,15 градусов Цельсия (184K).

Конечно, если вы хотите остыть не по-детски, вам нужно нырнуть в глубины космоса. Вся вселенная залита остатками излучения от Большого Взрыва, в самых пустых регионах космоса — 2,73 градуса по Кельвину, что немногим холоднее, чем температура жидкого гелия, который мы смогли получить на Земле век назад.

Но физики-низкотемпературщики используют замораживающие лучи, чтобы вывести технологию на совершенно новый уровень. Вас может удивить то, что замораживающие лучи принимают форму лазеров. Но как? Лазеры должны сжигать.

Все верно, но у лазеров есть одна особенность — можно даже сказать, ультимативная: весь свет излучается на одной частоте. Обычные нейтральные атомы вообще не взаимодействуют со светом, если частота не настроена точным образом. Если же атом летит к источнику света, свет получает допплеровский сдвиг и выходит на более высокую частоту. Атом поглощает меньшую энергию фотона, чем мог бы. Так что если настроить лазер пониже, быстродвижущиеся атомы будут поглощать свет, а излучая фотон в случайном направлении, будут терять немного энергии в среднем. Если повторять процесс, вы можете охладить газ до температуры меньше одного наноКельвина, миллиардной доли градуса.

Все приобретает более экстремальную окраску. Мировой рекорд самой низкой температуры составляет менее одной десятой миллиарда градуса выше абсолютного нуля. Устройства, которые добиваются этого, захватывают атомы в магнитные поля. «Температура» зависит не столько от самих атомов, сколько от спина атомных ядер.

Теперь, для восстановления справедливости, нам нужно немного пофантазировать. Когда мы обычно представляем себе что-то, замороженной до одной миллиардной доли градуса, вам наверняка рисуется картинка, как даже молекулы воздуха замерзают на месте. Можно даже представить разрушительное апокалиптическое устройство, замораживающее спины атомов.

В конечном счете, если вы действительно хотите испытать низкую температуру, все, что вам нужно, это ждать. Спустя примерно 17 миллиардов лет радиационный фон во Вселенной остынет до 1К. Через 95 миллиардов лет температура составит примерно 0,01К. Через 400 миллиардов лет глубокий космос будет таким же холодным, как самый холодный эксперимент на Земле, и после этого — еще холоднее. Если вам интересно, почему вселенная остывает так быстро, скажите спасибо нашим старым друзьям: энтропии и темной энергии. Вселенная находится в режиме акселерации, вступая в период экспоненциального роста, который будет продолжаться вечно. Вещи буду замерзать очень быстро.

Что происходит при 0 Кельвина?

Все это, конечно, замечательно, да и рекорды побивать тоже приятно. Но в чем смысл? Что ж, есть масса веских причин разбираться в низинах температуры, и не только на правах победителя.

Хорошие ребята из Национального института стандартов и технологий, например, просто хотели бы сделать классные часы. Стандарты времени основаны на таких вещах, как частота атома цезия. Если атом цезия движется слишком много, появляется неопределенность в измерениях, что, в конечном счете, приведет к сбою часов.

Но что более важно, особенно с точки зрения науки, материалы ведут себя безумно на экстремально низких температурах. К примеру, как лазер состоит из фотонов, которые синхронизируются друг с другом — на одной частоте и фазе — так и материал, известный как конденсат Бозе-Эйнштейна, может быть создан. В нем все атомы находятся в одном и том же состоянии. Или представьте себе амальгаму, в которой каждый атом теряет свою индивидуальность, и вся масса реагирует как один нуль-супер-атом.

При очень низких температурах многие материалы становятся сверхтекучими, что означает, что они могут совершенно не обладать вязкостью, укладываться сверхтонкими слоями и даже бросать вызов гравитации в достижении минимума энергии. Также при низких температурах многие материалы становятся сверхпроводящими, что означает отсутствие какого-либо электрического сопротивления. Сверхпроводники способны реагировать на внешние магнитные поля таким образом, чтобы полностью отменять их внутри металла. В результате, вы можете объединить холодную температуру и магнит и получить что-то типа левитации. 32 K. Это в септиллион раз горячее, чем нутро нашего Солнца.

Опять же, мы совсем не уверены, самая ли это горячая температура из всех, что могли быть. Поскольку у нас даже нет большой модели вселенной в момент времени Планка, мы даже не уверены, что Вселенная кипятилась до такого состояния. В любом случае, к абсолютному нулю мы во много раз ближе, чем к абсолютной жаре.

Шкала температуры. Шкала Цельсия, Фаренгейта, Кельвина, Реомюра

История

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами.

Из того, что температура — это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.

Шкала Кельвина

В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273.16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана. Используются также производные единицы: килокельвин, мегакельвин, милликельвин и т.д.

Шкала Цельсия

В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия — особая точка для метеорологии, поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет.

Шкала Фаренгейта

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.

В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F — 32), то есть изменение температуры на 1 °F соответствует изменению на 5/9 °С. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.

Шкала Реомюра

Предложенна в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

Единица — градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)

1 °R = 1,25 °C.

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

Пересчёт температуры между основными шкалами
	Кельвин	Цельсий	Фаренгейт
Кельвин (K)	= K	= С + 273,15	= (F + 459,67) / 1,8
Цельсий (°C)	= K − 273,15	= C	= (F − 32) / 1,8
Фаренгейт (°F)	= K · 1,8 − 459,67	= C · 1,8 + 32	= F

 Сравнение температурных шкал

Описание	Кельвин	Цельсий	Фаренгейт	Ньютон	Реомюр
Абсолютный ноль	0	−273. 15	−459.67	−90.14	−218.52
Температура таяния смеси Фаренгейта (соли и льда в равных количествах)	255.37	−17.78	0	−5.87	−14.22
Температура замерзания воды (нормальные условия)	273.15	0	32	0	0
Средняя температура человеческого тела¹	310.0	36.8	98.2	12. 21	29.6
Температура кипения воды (нормальные условия)	373.15	100	212	33	80
Температура поверхности Солнца	5800	5526	9980	1823	4421

¹ Нормальная температура человеческого тела — 36.6 °C ±0.7 °C, или 98.2 °F ±1.3 °F. Приводимое обычно значение 98.6 °F — это точное преобразование в шкалу Фаренгейта принятого в Германии в XIX веке значения 37 °C. Поскольку это значение не входит в диапазон нормальной температуры по современным представлениям, можно говорить, что оно содержит избыточную (неверную) точность. Некоторые значения в этой таблице были округлены.

Сопоставление шкал Фаренгейта и Цельсия

(^oF — шкала Фаренгейта, ^oC — шкала Цельсия)

 

oF	oC		oF	oC		oF	oC		oF	oC
-459. 67 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -190 -180 -170 -160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -95 -90 -85 -80 -75 -70 -65	-273.15 -267.8 -240.0 -212.2 -184.4 -156.7 -128.9 -123.3 -117.8 -112.2 -106.7 -101.1 -95.6 -90.0 -84.4 -78.9 -73.3 -70.6 -67.8 -65.0 -62.2 -59.4 -56.7 -53.9		-60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5	-51.1 -48.3 -45.6 -42.8 -40.0 -37.2 -34.4 -31.7 -28.9 -28.3 -27.8 -27.2 -26.7 -26.1 -25.6 -25.0 -24.4 -23.9 -23.3 -22.8 -22.2 -21.7 -21.1 -20. 6		-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19	-20.0 -19.4 -18.9 -18.3 -17.8 -17.2 -16.7 -16.1 -15.6 -15.0 -14.4 -13.9 -13.3 -12.8 -12.2 -11.7 -11.1 -10.6 -10.0 -9.4 -8.9 -8.3 -7.8 -7.2		20 21 22 23 24 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 125 150 200	-6.7 -6.1 -5.6 -5.0 -4.4 -3.9 -1.1 1.7 4.4 7.2 10.0 12.8 15.6 18.3 21.1 23.9 26.7 29.4 32.2 35.0 37.8 51.7 65.6 93. 3

Для перевода градусов цельсия в кельвины необходимо пользоваться формулой T=t+T₀ где T- температура в кельвинах, t- температура в градусах цельсия, T₀=273.15 кельвина. По размеру градус Цельсия равен Кельвину.

 

Абсолютный ноль | Определение и факты

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.

• Студенческий портал
  Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
• Спасение Земли
  Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
• SpaceNext50
  Britannica представляет SpaceNext50. От полета на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые питают наше любопытство к космосу!

Содержание

• Введение

Краткие факты

• Связанный контент

Викторины

• Апрельские дожди для мартовских львов и ягнят

Атомов с отрицательной абсолютной температурой являются самыми горячими системами в мире — ScienceDaily

То, что нормально для большинства людей зимой, до сих пор было невозможным в физике: минусовая температура. Минусовые температуры по шкале Цельсия удивляют только летом. В абсолютной шкале температур, используемой физиками и называемой также шкалой Кельвина, невозможно опуститься ниже нуля — по крайней мере, не в том смысле, что становится холоднее нуля градусов Кельвина.

По физическому смыслу температуры температура газа определяется хаотическим движением его частиц – чем холоднее газ, тем медленнее частицы. При нуле Кельвина (минус 273 градуса по Цельсию) частицы перестают двигаться, и весь беспорядок исчезает. Таким образом, ничего не может быть холоднее абсолютного нуля по шкале Кельвина. Физики из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана и Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге создали в лаборатории атомарный газ, который, тем не менее, имеет отрицательные значения Кельвина. Эти отрицательные абсолютные температуры имеют несколько явно абсурдных последствий: хотя атомы в газе притягиваются друг к другу и создают отрицательное давление, газ не коллапсирует — поведение, которое также постулируется для темной энергии в космологии. Предположительно невозможные тепловые двигатели, такие как двигатель внутреннего сгорания с термодинамическим КПД более 100%, также могут быть реализованы с помощью отрицательных абсолютных температур.

Чтобы довести воду до кипения, необходимо добавить энергию. По мере нагревания воды молекулы воды со временем увеличивают свою кинетическую энергию и в среднем движутся все быстрее и быстрее. Однако отдельные молекулы обладают разной кинетической энергией — от очень медленной до очень быстрой. Низкоэнергетические состояния более вероятны, чем высокоэнергетические, т. е. только несколько частиц движутся очень быстро. В физике это распределение называется распределением Больцмана. Физики, работающие с Ульрихом Шнайдером и Иммануэлем Блохом, создали газ, в котором это распределение точно перевернуто: многие частицы обладают высокими энергиями, и лишь немногие имеют низкие энергии. Эта инверсия распределения энергии означает, что частицы приобрели отрицательную абсолютную температуру.

 «Перевернутое распределение Больцмана является признаком отрицательной абсолютной температуры; и это то, чего мы достигли», — говорит Ульрих Шнайдер. «Все же газ не холоднее нуля кельвинов, а горячее, — поясняет физик, — он даже горячее, чем при любой положительной температуре — шкала температур просто не заканчивается на бесконечности, а вместо этого скачет к отрицательным значениям».

Отрицательная температура может быть достигнута только при верхнем пределе энергии

Значение отрицательной абсолютной температуры лучше всего можно проиллюстрировать катящимися сферами в холмистой местности, где долины соответствуют низкой потенциальной энергии, а холмы — высокой. Чем быстрее движутся сферы, тем выше их кинетическая энергия: если начать при положительных температурах и увеличить общую энергию сфер путем их нагрева, сферы будут все больше распространяться в области высокой энергии. Если бы можно было нагреть сферы до бесконечной температуры, то была бы равная вероятность найти их в любой точке ландшафта, независимо от потенциальной энергии. Если бы теперь можно было добавить еще больше энергии и тем самым еще больше нагреть сферы, они предпочтительно собирались бы в высокоэнергетических состояниях и были бы еще более горячими, чем при бесконечной температуре. Распределение Больцмана было бы обратным, и поэтому температура была бы отрицательной. На первый взгляд может показаться странным, что отрицательная абсолютная температура горячее положительной. Однако это просто следствие исторического определения абсолютной температуры; если бы он был определен иначе, этого кажущегося противоречия не существовало бы.

Эта инверсия заселенности энергетических состояний невозможна в воде или любой другой природной системе, поскольку система должна поглощать бесконечное количество энергии — невозможный подвиг! Однако если у частиц есть верхний предел их энергии, такой как вершина холма в ландшафте потенциальной энергии, ситуация будет совершенно иной. Исследователи из исследовательской группы Иммануэля Блоха и Ульриха Шнайдера теперь реализовали такую ​​систему атомарного газа с верхним энергетическим пределом в своей лаборатории, следуя теоретическим предложениям Алларда Моска и Ахима Роша.

В своем эксперименте ученые сначала охлаждают около ста тысяч атомов в вакуумной камере до положительной температуры в несколько миллиардных долей Кельвина и захватывают их в оптические ловушки, сделанные из лазерных лучей. Окружающий сверхвысокий вакуум гарантирует, что атомы идеально теплоизолированы от окружающей среды. Лазерные лучи создают так называемую оптическую решетку, в которой атомы регулярно располагаются в узлах решетки. В этой решетке атомы все еще могут перемещаться из узла в узел за счет туннельного эффекта, однако их кинетическая энергия имеет верхний предел и, следовательно, обладает требуемым верхним энергетическим пределом. Однако температура относится не только к кинетической энергии, но и к полной энергии частиц, которая в данном случае включает взаимодействие и потенциальную энергию. Система мюнхенских и гархингских исследователей также ограничивает их обоих. Затем физики подводят атомы к этой верхней границе полной энергии, получая, таким образом, отрицательную температуру, составляющую минус несколько миллиардных долей Кельвина.

При отрицательных температурах двигатель может совершать больше работы

I Если сферы обладают положительной температурой и лежат в долине при минимальной потенциальной энергии, то это состояние, очевидно, устойчиво – это природа, какой мы ее знаем. Если сферы расположены на вершине холма с максимальной потенциальной энергией, они обычно скатываются вниз и таким образом преобразуют свою потенциальную энергию в кинетическую энергию. «Однако, если сферы находятся при отрицательной температуре, их кинетическая энергия уже будет настолько велика, что не сможет увеличиваться дальше», — объясняет Саймон Браун, докторант исследовательской группы. «Таким образом, сферы не могут скатиться вниз и остаются на вершине холма. Таким образом, предел энергии делает систему стабильной!» Состояние с отрицательной температурой в их эксперименте действительно столь же стабильно, как и состояние с положительной температурой. «Таким образом, мы создали первое состояние с отрицательной абсолютной температурой для движущихся частиц», — добавляет Браун.

Вещество при отрицательной абсолютной температуре имеет целый ряд поразительных последствий: с его помощью можно создавать тепловые двигатели типа двигателей внутреннего сгорания с КПД более 100%. Однако это не означает, что нарушается закон сохранения энергии. Вместо этого двигатель мог поглощать энергию не только из более горячей среды и тем самым совершать работу, но, в отличие от обычного случая, и из более холодной среды.

При чисто положительных температурах более холодная среда неизбежно нагревается в противоположность этому, поглощая часть энергии горячей среды и тем самым ограничивая эффективность. Если горячая среда имеет отрицательную температуру, то возможно одновременное поглощение энергии обеих сред. Таким образом, работа, выполняемая двигателем, больше, чем энергия, получаемая только от более горячей среды — КПД превышает 100 процентов.

Достижение мюнхенских физиков может быть дополнительно интересно для космологии, поскольку термодинамическое поведение отрицательной температуры обнаруживает параллели с так называемой темной энергией.