Абсолютный ноль — это самая низкая теоретическая температура, которую ученые определили как минус 459,67 градуса по Фаренгейту (минус 273,15 градуса по Цельсию). Это даже холоднее, чем в открытом космосе. До сих пор ничто из известного нам не достигало абсолютного нуля. Но возможно ли вообще достичь этой леденящей душу отметки?
Чтобы ответить на этот вопрос, давайте разберемся, что же такое температура на самом деле. Мы склонны думать о температуре как о том, насколько что-то горячее или холодное, но на самом деле это мера энергии или колебаний всех частиц в системе. Горячие объекты обладают большей энергией, поэтому их частицы могут вибрировать быстрее. Точка, в которой частицы вообще не имеют энергии и, следовательно, перестают двигаться, называется абсолютным нулем.
Ученые заинтересованы в достижении таких низких температур, потому что при замедлении частиц возникает множество интересных квантовых эффектов. Фундаментальным принципом квантовой механики является дуализм волна-частица — явление, при котором частица, например фотон света, может вести себя либо как частица, либо как волна, — говорит Санкалпа Гош, физик-теоретик по конденсированным средам из Индийского технологического института в Дели.
Когда имеешь дело с квантовомеханическими частицами, важно помнить об их «неразличимости» — «невозможно отследить частицы или волны по отдельности, как это можно сделать с более крупными объектами», — сказал Гхош.
«Причину этого можно проследить в знаменитом Принципе неопределенности Гейзенберга, который определяет вероятностную природу квантово-механических измерений [это означает, что когда положение частицы точно измерено, ее импульс известен менее точно, и наоборот]. Эта вероятностная природа придает квантово-механической частице волнообразный характер».
Степень волнообразности квантового поведения выражается отношением межчастичных расстояний в системе, известным как тепловая длина волны де Бройля. При обычных температурах это квантовое поведение пренебрежимо мало, но по мере охлаждения частиц начинают проявляться странные эффекты.
«Это соотношение становится больше по мере понижения температуры, а при абсолютном нуле оно фактически равно бесконечности», — говорит Гхош.
«Квантовые явления, такие как сверхтекучесть (течение без трения), сверхпроводимость (ток течет без сопротивления) и ультрахолодная атомная конденсация, происходят благодаря этому».
В первых ультрахолодных экспериментах 1990-х годов использовалась техника, известная как лазерное охлаждение, чтобы начать исследовать эти эффекты. «Свет воздействует на атомы, замедляя их до достаточно низких температур — около 1 кельвина (минус 272,15 C или минус 457,87 F)», — говорит Кристофер Фут, физик, изучающий ультрахолод в Оксфордском университете. «Это достаточно низко, чтобы наблюдать квантовое поведение в твердых телах и жидкостях, но для газов, которые мы изучаем, нам нужны температуры в десятки нано-кельвинов, чтобы получить эти квантовые эффекты».
Самая низкая температура, когда-либо зарегистрированная в лаборатории, была достигнута группой из Германии в 2021 году. Команда сбрасывала намагниченные атомы газа с 400-футовой (120 метров) башни, постоянно включая и выключая магнитное поле, чтобы замедлить частицы почти до полной остановки. В этом эксперименте, известном как охлаждение с помощью магнитной ловушки, газовые частицы достигли невероятной температуры в 38 пикокельвинов — 38 триллионных долей градуса Цельсия выше абсолютного нуля, что вполне позволяет начать наблюдение квантовых эффектов в газах.
Но есть ли смысл пытаться охлаждать материалы еще больше? Скорее всего, нет, считает Фут. «Нас гораздо больше интересуют эти квантовые эффекты, чем достижение абсолютного нуля», — говорит он. «Атомы, охлажденные лазером, уже используются в атомных стандартах, определяющих универсальное время (атомные часы), и в квантовых компьютерах. Работа с более низкими температурами все еще находится на стадии исследований, и люди используют эти методы для проверки универсальных физических теорий».
В настоящее время охладить последние 38 триллионных долей градуса невозможно, и для того, чтобы это стало реальностью, необходимо преодолеть несколько препятствий. На самом деле, даже если мы достигнем абсолютного нуля, мы можем полностью пропустить его из-за неточных методов измерения.
«С нынешними приборами вы не сможете определить, ноль это или просто очень-очень маленькое число», — говорит Фут. «Чтобы измерить абсолютный ноль, вам понадобится бесконечно точный термометр, а это не под силу нашим нынешним измерительным системам».
Нет комментариев