Абсолютный ноль — фундаментальный нижний предел термодинамической температуры, соответствующий ровно 0 K, −273,15 °C или −459,67 °F. Охладить вещество точно до этой отметки физически невозможно, однако в лабораториях ученым удается приблизиться к ней на миллиардные и триллионные доли кельвина.
Абсолютный ноль служит началом отсчета термодинамической шкалы Кельвина и соответствует −273,15 °C или −459,67 °F.
Достичь ровно 0 K на практике невозможно: третий закон термодинамики требует для этого бесконечного числа шагов охлаждения.
При абсолютном ноле движение частиц не прекращается: законы квантовой механики сохраняют неустранимую энергию нулевых колебаний основного состояния.
В лабораторных экспериментах физики получают температуры в диапазоне нанокельвинов и пикокельвинов.
В квантовых системах возможно состояние отрицательной абсолютной температуры, однако термодинамически оно горячее любых сред с положительной температурой.
Что такое абсолютный ноль: суть понятия
Абсолютный ноль — это предельная температура, при которой термодинамическая система переходит в состояние с минимально возможной внутренней энергией. Это естественная нижняя граница температуры во Вселенной.
В классической физике температура напрямую связана со средней кинетической энергией теплового движения частиц: чем холоднее вещество, тем медленнее колеблются его атомы и молекулы. Из этого часто делают неверный вывод, что при абсолютном ноле частицы должны полностью замереть. С точки зрения квантовой механики это невозможно.
Даже находясь в основном (самом низком) энергетическом состоянии, квантовая система обязана сохранять так называемую энергию нулевых колебаний, которую невозможно отобрать охлаждением. Полная остановка частиц запрещена принципом неопределенности Гейзенберга: если бы атом абсолютно замер в конкретной точке, неопределенность его координаты и импульса одновременно обратилась бы в ноль, что нарушает фундаментальные законы природы. Таким образом, абсолютный ноль означает не абсолютный покой, а минимальный уровень энергии, допускаемый квантовыми правилами.
Концепция предельного холода появилась задолго до квантовой теории. В начале XVIII века французский физик Гийом Амонтон исследовал зависимость давления воздуха от нагрева и предположил, что существует рубеж, при котором упругость газа упадет до нуля. Позднее Иоганн Ламберт и Жозеф Луи Гей-Люссак уточнили эти оценки.
Логика ученых опиралась на линейное поведение газов: при охлаждении давление газа при постоянном объеме (или объем при постоянном давлении) уменьшается прямо пропорционально температуре. Экстраполяция этой прямой приводила к отметке около −273 °C, где расчетный объем идеального газа обратился бы в ноль. Реальные газы задолго до этой точки сжижаются и кристаллизуются, поэтому расчет описывал математическую модель идеального газа, а не физическое исчезновение объема вещества.
В 1848 году Уильям Томсон (лорд Кельвин) развил идею и предложил абсолютную термодинамическую шкалу, не зависящую от свойств конкретного термометрического тела вроде ртути или спирта. Ее единица — кельвин — входит в число базовых единиц Международной системы единиц (SI). С 2019 года кельвин официально определен через фиксированное фундаментальное значение постоянной Больцмана, равное 1,380649 × 10⁻²³ Дж/К.
Температура абсолютного ноля: сколько это градусов
Значение абсолютного нуля в разных температурных шкалах строго зафиксировано:
По шкале Кельвина — 0 K (шкала начинается непосредственно с этой точки).
По шкале Цельсия — −273,15 °C.
По шкале Фаренгейта — −459,67 °F.
Соотношение между шкалами Кельвина и Цельсия не требует эмпирических поправок. По нормативным определениям Международной системы единиц (SI) один кельвин равен одному градусу Цельсия, а нуль шкалы Цельсия законодательно привязан к отметке 273,15 K.
Формула перевода выглядит так:
T (°C) = T (K) − 273,15
Соответственно, 273,15 K равны 0 °C, а 100 K соответствуют −173,15 °C. Обратный пересчет выполняют простым сложением:
T (K) = T (°C) + 273,15
Абсолютный ноль исключает существование температур вроде −1 K или −10 K в привычном понимании степени охлаждения. В физике существует понятие отрицательных абсолютных температур (по шкале Кельвина), однако они не лежат «холоднее нуля». Такие состояния получают искусственно в замкнутых квантовых системах с верхним пределом энергии (например, в ядерных спиновых решетках), создавая инверсию населенностей — когда верхние энергетические уровни заняты плотнее нижних. При контакте с любой обычной средой такая система всегда отдает тепло, поэтому в строгом термодинамическом смысле отрицательные абсолютные температуры горячее любых сред с положительной температурой.
Возможно ли достичь температуры абсолютного ноля
Получить температуру ровно 0 K на практике невозможно, какими бы совершенными ни были методы охлаждения.
Этот запрет диктует третье начало термодинамики (теорема Нернста — принцип недостижимости). По мере приближения температуры к абсолютному нулю теплоемкость любого вещества стремится к нулю, а энтропия перестает зависеть от внешних параметров — давления или магнитного поля. Из-за этого каждый цикл охлаждения забирает все меньшую порцию тепла, и для достижения точного нуля потребовалась бы бесконечная цепочка последовательных операций.
Тем не менее физики умеют подходить к этому пределу вплотную. Для глубокого охлаждения применяют ступенчатые методы: торможение атомов встречными лазерными пучками, удержание разреженного газа в магнитных и оптических ловушках без контакта со стенками вакуумной камеры и испарительное охлаждение (когда из ловушки целенаправленно выпускают самые быстрые частицы, снижая среднюю энергию оставшихся).
Эти технологии позволили научным лабораториям перейти от миллионных долей кельвина к нано- и пикокельвинам.
В 2003 году группа Вольфганга Кеттерле и Дэвида Причарда в Массачусетском технологическом институте (MIT) охладила газ из атомов натрия примерно до 500 пикокельвинов — то есть на 0,5 нанокельвина (пятьсот триллионных долей кельвина) выше абсолютного нуля. Это был первый в истории эксперимент с веществом холоднее одного нанокельвина.
В 2021 году команда немецких и французских ученых под руководством Кристиана Деппнера продвинулась еще дальше в экспериментах на Бременской башне свободного падения. Исследователи создали конденсат Бозе — Эйнштейна из атомов рубидия и применили метод магнитной коллимации волн материи: короткий импульс неоднородного магнитного поля («магнитная линза») скомпенсировал кинетическую энергию разлета атомов в свободном падении. Это позволило снизить эффективную температуру расширения волнового пакета до рекордных 38 пикокельвинов.
Рекорды сверхнизких температур ставят, чтобы еще глубже исследовать физические явления. При температурах в миллиардные доли кельвина тепловой шум затухает, обнажая макроскопические квантовые явления. Именно так ученые получают конденсат Бозе — Эйнштейна — агрегатное состояние, в котором тысячи атомов переходят на один квантовый уровень и начинают вести себя как единая гигантская волна. Впервые такой конденсат создали Эрик Корнелл и Карл Виман в 1995 году на атомах рубидия, за что ученые получили Нобелевскую премию по физике.
Вопросы и ответы
В разделе ответили на вопросы об абсолютном ноле.
Почему абсолютный ноль недостижим на практике?
Согласно третьему началу термодинамики, по мере приближения к абсолютному нулю разность энтропий между состояниями системы стремится к нулю. Это означает, что каждый цикл отвода тепла снижает температуру на все меньшую величину. Чтобы преодолеть оставшийся промежуток до отметки 0 K, требуется бесконечное число физических циклов охлаждения.
Останавливаются ли атомы при температуре 0 K?
Нет, представление о неподвижных атомах ошибочно. Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, частица не может иметь одновременно нулевой импульс и фиксированную координату. Даже в основном квантовом состоянии вещество сохраняет неустранимую энергию нулевых колебаний, поэтому частицы продолжают совершать квантовые колебания на микроуровне.
Может ли температура опуститься ниже абсолютного нуля?
В классическом понимании температуры — нет, абсолютный ноль является непреодолимой нижней границей. В квантовых спиновых системах возможно искусственное создание отрицательных абсолютных температур за счет инверсии населенности уровней энергии. Однако такие состояния не холоднее абсолютного нуля: при контакте с любым обычным телом они отдают тепло, то есть термодинамически горячее тел с положительной температурой.