Холоднее и ещё холоднее
Около 14 миллиардов лет назад, при рождении, Вселенная была раскалена до колоссальных 1032 °С. Сейчас её основное свойство — холод. Но здесь, на Земле, морозы до –200 градусов нам не грозят. Поэтому надеемся, что рассказ о сверхнизких температурах поможет вам морально согреться даже в стужу.
Самая низкая в принципе
ГДЕ Нигде. В природе такое не встречается
СКОЛЬКО –273,15 °С, или 0 К (градусов Кельвина)
Однажды лорд Кельвин обозвал нерасторопного дворецкого абсолютным нулём. Так появился термин. Шутка. Более того, совсем не этот учёный первым определил самую низкую температуру.
Ещё в начале XVIII века об «абсолютном холоде» задумался французский физик Гийом Амонтон. Он обнаружил, что воздух при нагреве от 0 °С (точка замерзания воды) до 100 (кипение) увеличивает давление примерно на треть. Учёный задумался: насколько нужно охладить воздух, чтобы давление исчезло, то есть воздух превратился в твёрдое вещество? И получил –293 °С. Спустя полтора столетия британский физик Уильям Томпсон (тогда ещё не удостоенный титула лорда Кельвина), исходя из похожих соображений, рассчитал почти точное значение абсолютного нуля. Впоследствии Кельвин построил свою шкалу, отталкиваясь от этой точки.
В реальности абсолютный ноль не существует. Почему? Температуру тела создаёт движение атомов, а значит, при –273,15 °С все они должны находиться в полном покое. Но это невозможно из-за квантовых эффектов, так называемых нулевых колебаний, которые есть даже у вакуума.
Самая низкая в природе
ГДЕ Туманность Бумеранг, которая находится на расстоянии 5 тысяч световых лет от Земли
СКОЛЬКО 1 К (–272 °С)
Где же попытаться найти наименьшую температуру? Наверное, там, где нет никаких источников тепла — например, в открытом космосе вдали от галактик? Увы, мы потерпим неудачу, ибо даже космическое захолустье нагрето на несколько градусов, а именно до 2,725 К, за счёт реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва.
Но, оказывается, в космосе может быть что-то холоднее пустоты. В 1995 году астрономы Европейской южной обсерватории, расположенной в Чили, рассчитали, что звёздный газ в туманности Бумеранг извергается со скоростью в 600 тыс. км/ч. Такой «быстрый» газ охлаждается до 1К за счёт адиабатического процесса, суть которого в том, что если газ очень быстро расширяется, то он одновременно и охлаждается, потому что его внутренняя тепловая энергия расходуется — например, как в случае с туманностью, на увеличение газовой оболочки. Этот принцип лежит в основе работы большинства холодильников.
Самая низкая в Солнечной системе
ГДЕ Луна
СКОЛЬКО –240 °С
Казалось бы, чем дальше от Солнца, тем холоднее, и в некоторой степени это верно. В тройку самых холодных мест входят спутник Нептуна Тритон (не выше –237,6 °С), Плутон (–230 °С) и, неожиданно, — Луна.
Почему так холодно на Тритоне, понятно: как-никак 4,5 миллиарда километров от Солнца. Плутон холоднее, чем должен быть, из-за того, что азотный лёд на его поверхности тает при приближении планеты к Солнцу и вновь образуется при удалении. В результате поверхность охлаждается подобно телу потеющего человека. Луна же стала рекордсменкой за счёт глубоких кратеров, дна которых не достигает солнечный свет. Притом что её поверхность может разогреваться более чем до 100 °С.
Надо заметить, в Солнечной системе ещё много, очень много неисследованных тел, и, вполне возможно, какие-то объекты из Облака Оорта или пояса Койпера могут подвинуть Луну с пьедестала.
Самая низкая из созданных человеком
ГДЕ Лаборатория низких температур, Хельсинкский технологический университет
СКОЛЬКО 50 пикокельвин (0,000 000 000 05 К)
Многие материалы проявляют удивительные свойства при сверхнизких температурах. Например, металлы становятся сверхпроводящими, жидкости и сконденсированные газы — сверхтекучими. При температуре около абсолютного нуля существует конденсат Бозе — Эйнштейна, состояние вещества, при котором все атомы приобретают один и тот же энергетический уровень и становятся неотличимы друг от друга.
Весной этого года физик Марк Касевич и его коллеги из Стэнфордского университета смогли охладить конденсат из 100 тысяч атомов рубидия до температуры около 50 пикокельвин, говорится в статье, опубликованной в Physical Review Letters. Таких показателей удалось достигнуть с помощью специального лазера, подавлявшего движение атомов.
Самая низкая на Земле
ГДЕ Станция «Восток», Антарктида
СКОЛЬКО –89,2 °С
Восток — дело не только тонкое, но и очень холодное, если речь идёт об антарктической станции. Температурный рекорд –89,2 °С, зафиксированный советскими метеорологами в 1983 году, сейчас пытаются оспорить. Например, недавно сообщалось, что рядом с японской полярной станцией «Купол Фудзи» было на два градуса холоднее. Однако измерение проводилось с помощью спутника, а он считывает только температуру поверхности, а не воздуха.
За право считаться полюсом холода в Северном полушарии борются два населённых пункта в Якутии: город Верхоянск и село Оймякон (на самом деле правильнее говорить о местности Оймякон, ибо наблюдения ведутся в 40 километрах от села). Похоже, что в Верхоянске рекордная температура всё же немного ниже и составляет –67,8 °С.
Впрочем, защитники Оймякона не сдаются и не только пытаются подвинуть соседей-соперников, но и посягают на общемировой рекорд. Станция «Восток», справедливо замечают они, находится на высоте более трёх километров над уровнем моря, а Оймякон — 700 метров, и если привести их к одному уровню, Оймякон будет самым холодным местом на планете. В этих рассуждениях, правда, забывается Верхоянск, находящийся чуть более чем в сотне метрах над уровнем моря.
Источник
Самое холодное место во Вселенной
Как вы знаете из курса школьной физики, самая низкая температура – абсолютный ноль, или 0 градусов по Кельвину. По Цельсию это будет – 273.15 градусов. При такой температуре движение атомов в любом веществе должно остановиться. Но это теоретически, так как нигде нет такого холода, даже в космосе.
На Земле самое холодное место – станция «Восток» в Антарктиде, где в 1983 году была зафиксирована температура в -89 градусов по Цельсию. Это очень холодно – если выйти без специального снаряжения, можно моментально отморозить себе лёгкие. Но всё равно это просто курорт по сравнению с космическими температурами. Давайте поищем, где находится самое холодное место во Вселенной, известное учёным. Начнём с окрестностей – Солнечной системы.
Самое холодное место в Солнечной системе
Еще не так давно самым холодным местом Солнечной системы считался Уран. Эта планета вместе с Нептуном не зря относится к типу ледяных гигантов. В атмосфере Урана была зафиксирована температура в -224 0 C. Это ужасно холодно, но есть и еще более холодные места.
Затем пальма первенства перешла к Тритону, спутнику Нептуна. Он находится еще дальше от Солнца, чем Уран, так что это кажется логичным. «Вояджер-2», пролетая мимо системы Нептуна, зафиксировал на Тритоне температуру в -235 0 C.
Казалось бы, если мы будем удаляться от Солнца всё дальше, то будем находить места всё более холодные. Но это не так – на Плутоне, например, «теплее» — «всего» — 223 0 C.
Как ни странно, самое холодное место в Солнечной системе расположено гораздо ближе к Солнцу, буквально в шаге от нас – на Луне. Орбитальный аппарат Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) в 2009 году сканировал северные области Луны в инфракрасном диапазоне и зафиксировал в одном из кратеров температуру в -249 0 C. Этот кратер расположен вблизи северного лунного полюса и всегда находится в тени, то есть солнечные лучи туда никогда не попадают. Заметим, что на освещенной Солнцем лунной поверхности температура может достигать +117 0 C.
Самое холодное место в Солнечной системе находится на Луне. Инфракрасный снимок LRO. Самое тёмное место — самое холодное.
Как видим, самое холодное место в Солнечной системе, расположенное на Луне, имеет рекордно низкую температуру в -249 0 С. До абсолютного нуля совсем немного – всего 24.15 градусов. Если места во Вселенной, где ещё холоднее? Двинемся дальше, в глубокий космос.
Самое холодное место во Вселенной
Удалившись от Солнца всего на 5000 световых лет в направлении созвездия Центавра, мы можем обнаружить любопытную протопланетарную туманность. Она состоит из газа, быстро распространяющегося от центральной звезды в основном в двух направлениях. Из-за формы эта туманность иногда называют «галстуком-бабочкой», но обычное её название – «Бумеранг».
Туманность Бумеранг — самое холодное место во Вселенной.
Эта туманность очень быстро расширяется. Весь газ был изначально сброшенной оболочкой центральной звезды. Скорость расширения составляет 164 км/с, или 600 000 км/ч. Из-за этого туманность очень холодная – в ней происходит сильное поглощение энергии, которая тратится на расширение.
Туманность Бумеранг –самое холодное место во Вселенной, известное учёным сейчас. Температура в нём – всего 1 Кельвин, или -272 градуса по Цельсию, то есть это очень близко к абсолютному нулю. Если бы она не расширялась так быстро, то была бы самым заурядным местом, но именно это быстрое движение приводит к столь сильному охлаждению газа в этой туманности. Это похоже на естественный холодильник гигантского размера.
Туманность Бумеранг не всегда будет оставаться самым холодным местом. Срок жизни протопланетарных туманностей небольшой. Пройдут тысячи или даже несколько десятков тысяч лет, и эта туманность станет обычной планетарной. Газ в ней замедлит свой бег и частично рассеется в огромном пространстве, и эта туманность ничем не будет отличаться от других.
Но на данный момент туманность Бумеранг – самое холодное место во Вселенной. Меньшие температуры ученые получали лишь в лабораторных условиях, а здесь это естественное явление. Конечно, Вселенная велика, и наверняка в ней есть еще немало подобных объектов. Возможно, некоторые окажутся еще немного холоднее, но их еще предстоит открыть.
Источник
Возможен ли абсолютный нуль (-273 С) во Вселенной?
Все мы из школы хорошо помним фразу «абсолютный нуль», а некоторые, быть может, помнят еще и заветные цифры -273,15 градуса по Цельсию. Многие ошибочно полагают, что эта температура, которая наблюдается в космосе (разумеется, это не так ). Давайте разберемся с этим вопросом.
Что такое вообще температура? Казалось бы, описать ее просто – «холодно», «горячо»… Но с точки зрения физики, если отбросить тонкости, температурой измеряется количество внутренней кинетической энергии тела. Чем быстрее скорость хаотичного движения частиц, образующих вещество, тем выше его температура. И наоборот, чем ниже скорость частиц, тем ниже его температура. Скорость понижается, и температура понижается. Но вот скорость частиц становится совсем медленной, и наконец полностью останавливается. В том случае температура достигает своего минимального предела и ниже опуститься уже не может. Это и есть абсолютный нуль температуры , -273,15 градусов по Цельсию или 0 по шкале Кельвина.
В рамках классической механики достичь на практике абсолютного нуля невозможно . Об этом совершенно однозначно говорит Третье начало термодинамики: энтропия системы стремится к нулю при стремлении температуры к абсолютному нулю. Если на практике энтропия была бы равна нулю, то это означало бы, что возможен вечный двигатель второго рода, а это, в свою очередь, противоречило бы Второму началу термодинамики.
Что это означает для нас, если мы попытаемся охладить тело до абсолютного нуля? Охлаждение – это отдача энергии. Мы должны заставить охлаждаемое вещество отдавать свою энергию, но в процессе этой отдачи теплоемкость вещества также уменьшается и достигает минимального значения, при котором вещество уже не может свою энергию отдать.
Можно представить этот процесс по-другому, упрощенно. Охлаждение – это всегда теплообмен: горячее вещество отдает свою температуру, холодное – принимает, до сих пор, пока не наступит равновесное состояние (термодинамическое равновесие). Для того, чтобы охладить вещество до абсолютного нуля, нужно, чтобы это вещество отдало тепло более холодному, но не существует более холодного тела, чем с температурой абсолютного нуля, поэтому этот предел никогда не достижим.
Но вплотную приблизиться к абсолютному нулю возможно. В 2014 году ученые в Йельском университете разработали специальную технологию магнитооптического захвата, при которой отдельные атомы вещества охлаждались и удерживались при помощи точных лазеров и магнитных ловушек. В результате эксперимента удалось достичь температуры всего на 0,0025 градуса выше абсолютного нуля. Полученное соединение монофторида стронция существовало всего 2,7 секунды, но с более совершенными технологиями, вероятно, удастся получить более стабильное соединение.
К слову, в наблюдаемой Вселенной такая низкая температура зафиксирована нигде не была – реликтовое излучение «нагревает» космос до чуть более высоких температур, в среднем до 2,73 кельвина.
Источник
Что такое абсолютный ноль?
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.
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.
Почему есть абсолютный ноль, но нет абсолютного максимума?
Давайте взглянем на другую крайность. Если температура — это просто мера энергии, то можно просто представить атомы, которые подбираются ближе и ближе к скорости света. Не может же это продолжаться бесконечно?
Есть короткий ответ: мы не знаем. Вполне возможно, что буквально существует такая вещь, как бесконечная температура, но если есть абсолютный предел, юная вселенная предоставляет достаточно интересные подсказки относительно того, что это такое. Самая высокая температура, когда-либо существовавшая (как минимум в нашей вселенной), вероятно, случилась в так называемое «время Планка». Это был миг длиной в 10^-43 секунд после Большого Взрыва, когда гравитация отделилась от квантовой механики и физика стала именно такой, какой является сейчас. Температура в то время была примерно 10^32 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.
Источник