Галактики

Що станеться при охолодженні до абсолютного нуля?

Ще зі шкільної лави, всі ми добре знаємо, що зі збільшенням температури швидкість атомів в речовині збільшується, а при зниженні температури зменшується. Але що станеться при абсолютному нулі? І чи можна досягти температури в -273,16 градусів Цельсія?

Що таке температура?

В класичній термодинаміці величина температури тісно пов’язана з тепловою рівновагою. Якщо дві ізольовані від навколишнього середовища системи A і B, кожна з яких знаходиться в рівновазі, ввести в тепловий контакт, який забезпечує прямий теплообмін між двома системами, то стан цих систем почне змінюватися до тих пір, поки між ними не настане рівновага.

Даний вид рівноваги називається термічним рівновагою, при ньому здійснюється оборотний теплообмін між системами А і B, при якому не змінюються стану цих систем.

Абсолютна температура (більше відома як температура за шкалою Кельвіна) є функцією стану термодинамічних систем, що описує цей теплообмін між системами. Абсолютну температуру вимірюють у градусах Кельвіна і відлічують від абсолютного нуля температури, який відповідає температурі -273,16 градусів за шкалою Цельсія.

Що відбувається при абсолютному нулі?

При абсолютному нулі температури термодинамічна система знаходиться в найнижчому енергетичному стані, при якому припиняються, поступальний, обертальний і коливальний руху атомів/молекул. Винятками можуть бути лише руху всередині атомів (коливання протонів і нейтронів, руху електронів) і нульові коливання.

При температурі абсолютного нуля всі речовини переходять у кристалічний стан, за невеликим винятком. Атомна маса гелію дуже мала, як і енергія взаємодії між його атомами, тому нульові коливання перешкоджають переходу гелію в твердий стан при атмосферному тиску.

А тепер розглянемо квантову механіку: якщо охолодити термодинамічну систему, наприклад, кімнату, до абсолютного нуля, то тиск системи також впаде до нуля і повітря в кімнаті осяде тонким шаром на підлозі.

Однак, в масштабах атомів все описується невизначеності Гейзенберга. Поняття руху при цьому втрачає свій сенс, але частинки можуть змінювати своє місце розташування, не перелітаючи з місця на місце (теплове рух, якого в нашій кімнаті вже немає), а просто “телепортируясь”. В будь-якій реальній системі це миттєво призведе до нагрівання газу вище абсолютного нуля.

З наближенням температури речовини до абсолютного нуля спостерігаються цікаві квантові ефекти, такі як: надпровідність, надплинність тощо. При абсолютному нулі температури ентропія системи досягне свого мінімуму. Разом з тим всі термодинамічні параметри будуть прагнути до нуля. Тому абсолютний нуль не є абсолютно досяжним, так само як недосяжна швидкість світла для масивного об’єкта.

Де у Всесвіті температура дорівнює абсолютному нулю?

Реліктове випромінювання підтримує в космосі температуру не нижче, ніж 2,7 Кельвінів, але фізики знайшли можливість за допомогою лазерного випромінювання охолодити частинки до температури значно більш близькій до абсолютного нуля. Так у 2000 році вчені з Helsinki University of Technology досягли температури 0,1×10-9 К. (З тих пір мені доводилося чути про досягнення значно більш низьких температур, але при написанні статті знайти точні і достовірні дані про цих експериментах мені не вдалося).

Як було вище сказано, абсолютний нуль є недосяжний, але у Всесвіті є можливість охолонути до температури абсолютного нуля – це теплова смерть Всесвіту.

Згідно цієї теорії через приблизно 17 мільярдів років радіаційний фон у Всесвіті охолоне до 1К. Через 95 мільярдів років температура складе приблизно 0,01 К. Через 400 мільярдів років Всесвіт буде також холодна, як газ при вищеописаному експерименті. Після цього Всесвіт буде ставати ще холодніше і згідно теорії так буде вічно.

Автор: Олексій Німчук. Редакція: Федір Карасенко.

Ставте палець вгору, щоб бачити у своїй стрічці більше статей про космос і науки!

Підписуйтесь на мій канал тут, а також на мої канали і на . Там ви можете почитати велику кількість цікавих матеріалів, а також задати своє питання. Підтримати наш канал матеріально можна через .

Related posts

Leave a Comment