Физические явления, ежесекундно происходящие в каждой точке Вселенной, бывают как просты, так и сложны одновременно. Ежедневно ученые бьются над разгадкой их тайн, желая подчинить себе законы природы. Одна из таких тайн – это явление под названием «Абсолютный нуль».
Что такое температура?
Прежде чем затронуть более глубокий вопрос, стоит разобраться в таком простом понятии, как температура. Что это такое? Под температурой тела подразумевают степень его нагретости.
Согласно термодинамике, данная степень находится в тесной взаимосвязи со скоростью движения молекул тела. В зависимости от его состояния, молекулы либо хаотически движутся (газообразное, жидкое), либо упорядочены и заключены в решетки, но при этом колеблются (твердое). Хаотичное движение молекул еще называют броуновским движением.
Таким образом, нагрев тела лишь увеличивает его энтропию, то есть хаотичность и интенсивность движения частиц. Если твердому телу передать тепловую энергию, его молекулы из более упорядоченного состояния начнут переходить в состояние хаотичное. Материя станет плавиться и превратится в жидкость.
Молекулы данной жидкости будут разгоняться все быстрее, и после точки кипения состояние тела начнет переходить в газообразное. А что если провести обратный опыт? Молекулы охлаждаемого газа станут замедляться, в результате чего он начнет процесс конденсации.
Газ превратиться в жидкость, которая затем затвердеет и перейдет в состояние твердого тела. Его молекулы упорядочены, и каждая находится в узле кристаллической решетки, но при этом все же колеблется. Охлаждение твердого тела приведет к тому, что это колебание будет становиться все менее заметным.
А можно ли охладить тело настолько, чтобы молекулы и вовсе замерли на месте? Этот вопрос будет рассмотрен позже. А пока стоит остановиться еще раз на том, что такое понятие, как температура, независимо от способа ее измерения (шкала Цельсия, Фаренгейта или Кельвина) – это все лишь удобная физическая величина, помогающая передать информацию о кинетической энергии молекул того или иного тела.
Существует несколько систем измерения температуры – это градусы по Цельсию и Фаренгейту, и Кельвины. Упоминая абсолютный нуль, физики имеют в виду именно последнюю шкалу, которая, по сути, является абсолютной. Потому что начальной точкой шкалы Кельвина является абсолютный нуль.
То есть разница между системой Кельвина и Цельсия составляет 273,15°. Именно из-за данной разницы абсолютный ноль соответствует такой отметке на шкале Цельсия. Но откуда же взялся этот ноль?
Что же такое абсолютный нуль?
Правда, согласно принципу неопределенности, мельчайшие частицы все равно будут осуществлять минимальное движение. Но это уже понятия квантовой физики. Поэтому абсолютный ноль не подразумевает совершенный покой, однако он подразумевает полный порядок среди частиц твердого тела.
Исходя из данного контекста, абсолютный нуль – этот та минимальная граница температуры, которую способно иметь физическое тело. Ниже уже некуда. Более того, еще никто и никогда не добивался температуры тела, равной абсолютному нулю. Согласно законам термодинамики достижение абсолютного нуля является невозможным.
Абсолютный ноль — это воображаемая температура, при достижении которой вещество охлаждается настолько, что атомы его перестают совершать движение. Достигнут абсолютный ноль никогда не был — ни в природе, ни в лаборатории. Однако ученые подбирались к нему очень близко. Не исключено, что дойти до абсолютного ноля можно, но, даже дойдя, мы не сможем это узнать, потому что не существует термометра, который способен его измерить.
Измеряя температуру какого-либо тела, мы регистрируем среднюю энергию частиц, из которых оно состоит. Температура показывает, насколько быстро колеблются или движутся эти частицы. В газе или жидкости частицы могут летать в любом направлении и при этом они нередко соударяются. Поэтому температура их связана со средней скоростью движения частиц. Атомы твердого тела закреплены в решеточной структуре и удерживаются в ней электрическими связями. При разогреве тела атомы приобретают энергию и начинают подрагивать, точно желе, не покидая, однако, своих мест.
Если вы охлаждаете вещество, его атомы совершают меньше движений. В газе снижается их скорость, в твердом теле сокращается число колебаний. Чем ниже падает температура, тем меньше становится движения. При достаточной степени охлаждения атомы вообще перестают двигаться. Эта гипотетическая пока что точка и называется «абсолютным нолем».
Шкала Кельвина
В XIX веке лорд Кельвин предложил новую температурную шкалу, начинающуюся с абсолютного ноля. По сути дела, это просто сдвинутая шкала Цельсия. Так, вода замерзает при 0 градусов по Цельсию, или при 273 градусах по Кельвину, а закипает при 373 градусах по Кельвину (эквивалент 100 градусам Цельсия). Высшие участки этой шкалы фиксированы, как и тройная точка воды — температура (при определенном давлении), при которой вода, пар и лед могут сосуществовать, — это 273,16 по Кельвину, или 0,01 по Цельсию, при малом давлении (меньше 1% атмосферного). В настоящее время для измерения температуры большинство ученых использует шкалу Кельвина.
Большой мороз
«Поскольку я люблю держать мое фруктовое мороженое при абсолютном нуле, я использую градусы Кельвина чаще, чем большинство американцев. По-моему, любой десерт упоителен, если в нем напрочь отсутствует движение молекул» Чак Клостерман, 2004
Температура падает, и когда вы забираетесь высоко в горы или поднимаетесь на самолете. Если же выбраться в космос, там окажется еще холоднее. Но даже в самых пустых глубинах вселенной самые холодные атомы обладают температурой, на несколько градусов превышающей абсолютный ноль. Наиболее холодное место, найденное пока во вселенной, находится в туманности Бумеранг, темном облаке газа с температурой всего на один градус выше абсолютного ноля. Вне этой туманности, во всем пустом пространстве температура среды держится на довольно приятном уровне в 2,7 градуса Кельвина. Это такая теплая ванна, наполненная космическим микроволновым фоновым излучением, оставшимся со времен Большого взрыва и пронизывающим все пространство вселенной. Чтобы охладить какой-нибудь регион вселенной, его нужно оградить от этого реликтового тепла, — тогда любые атомы в нем утратят остаточную температуру. Поэтому представить себе, что температура какого-либо места во вселенной может равняться абсолютному нолю, трудновато.
Внутренний холод
Температуры очень низкие удавалось получать в лабораториях, где физики пытались приблизиться к абсолютному нолю хотя бы на короткие промежутки времени. И они смогли подойти к нему очень близко — ближе, чем в открытом космосе.
В лабораториях используются в качестве охладителей многие жидкие газы, однако и они теплее абсолютного ноля. Можно охладить азот до жидкого состояния — этот газ переходит в него при 77 градусах Кельвина (-196 Цельсия). Жидкий азот легко транспортируется в особых емкостях и используется в больницах для хранения биологических образцов, в том числе для замораживания эмбрионов и спермы в клиниках для больных бесплодием; находит он применение и в современной электронике. Если капнуть жидким азотом на цветок гвоздики, он станет до того хрупким, что уроните его на пол — и он разобьется, точно фарфоровый.
Еще холоднее жидкий гелий — всего 4 градуса Кельвина, однако и эта температура изрядно выше абсолютного ноля. А вот при смешивании двух типов гелия — гелия-3 и гелия-4 — достигается температура в несколько тысячных градуса Кельвина.
Для достижения температур еще более низких физикам приходится использовать изощренные методы. В 1994-м ученые Американского национального института стандартов и технологии (NIST), находящегося в Боулдере, штат Колорадо, с помощью лазера охладили атомы цезия до 700 миллиардных градуса Кельвина. Девять лет спустя ученым Массачусетского технологического института удалось пойти дальше, достигнув 0,5 миллиардных градуса Кельвина.
«В первую половину его карьеры Томсон казался неспособным ошибиться, во вторую — неспособным на правоту» Ч. Уотсон, 1969 (биограф лорда Кельвина)
На самом-то деле абсолютный ноль — идея абстрактная. Такую температуру никогда не удавалось получить в лаборатории или измерить в природе. Ученым, подбирающимся к ней все ближе, приходится мириться с тем, что достигнуть ее никогда не удастся. Но почему? Во-первых, любой термометр, сам не имеющий температуру абсолютного ноля, будет отдавать тепло и тем самым сорвет опыт. Во-вторых, измерять температуру при столь низких энергиях вообще затруднительно — начинают работать такие эффекты, как сверхпроводимость, вмешивается квантовая механика, а это воздействует на движение и состояние атомов. Так что мы просто не сможем узнать наверняка, что уже добрались до абсолютного ноля. Абсолютный ноль — это тот самый случай, когда «нет там никакого там».
Лорд Кельвин, 1824-1907
Британский физик лорд Кельвин, урожденный Уильям Томсон, обращался ко многим проблемам электричества и теплоты, хотя более всего он известен помощью, оказанной им прокладчикам первого трансатлантического подводного телеграфного кабеля. Томсон опубликовал более 600 работ и был избран президентом престижного Лондонского королевского общества. Ученым он был консервативным — отказывался признать существование атомов, отвергал теорию эволюции Дарвина и родственные теории возрастов Земли и Солнца, из-за чего проигрывал множество научных споров. Он получил титул лорда Кельвина Ларгского (по названию реки Кельвин, которая протекает по территории университета Глазго, и города Ларгса на побережье Шотландии, в котором он жил). В 1900-м лорд Кельвин прочитал в Королевском институте Великобритании знаменитую ныне лекцию, в которой оплакивал то обстоятельство, что «красоту и ясность теории» затмили «два облака», а именно не избавившаяся к тому времени от недостатков теория излучения черного тела и неудавшаяся попытка обнаружить «эфир», или газовую среду, в которой, как тогда предполагалось, распространяется свет.
Эти проблемы были в дальнейшем разрешены теорией относительности и квантовой теорией, но Томсон старался справиться с ними, используя ньютоновскую физику своего времени.
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.
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.
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.
История абсолютного “0”. Как получить самую низкую температуру во Вселенной.
Недалеко от центра Шотландии находится большое болото, известное как Дуллатур Бог. Вода просачивается с этих топей и сливается в верховья реки. В конце 19 века эта река должно быть, произвела впечатление на сэра Уильяма Томпсона. Известного ученого и президента Королевского общества. Когда королева Виктория даровала ему титул барона в 1892 году, он решил принять название реки как свое. С тех пор сэр Уильям Томпсон стал известен как лорд Кельвин.
Вклад Кельвина в науку огромен, но сегодня он, пожалуй, наиболее известен благодаря температурной шкале, носящей его имя. Она названа так в честь открытия им самой низкой температуры в нашей Вселенной.
После того, как эта абсолютная нулевая температура была окончательно определена, выдающиеся ученые начали многочисленные независимые попытки по созданию машин для исследования этой физической границы.
До этой холодной лихорадки XIX века большинство европейских ученых считали, что холод сам по себе является реальной физической субстанцией. Состоящей из атомов первичного газа, переносимого по воздуху.
Это объясняло, почему вода расширялась при замерзании – она впитывала большое количество этих холодных частиц. Физик Роберт Бойль развеял это представление в 1665 году. Тщательно взвесив воду до и после того, как вынесли ее на улицу холодной ночью. Продемонстрировав, что изменился только ее объем, но не масса.
Индустриальная революция
На заре промышленной революции новомодные паровые машины начали использовать тепло в работе, а науку – в прибыль. Раскрытие истинной природы тепла привело бы к созданию более эффективных электростанций. Поэтому для решения этой проблемы были задействованы все интеллектуальные и финансовые ресурсы.
Это знаменательное открытие вызвало еще больше вопросов. Возможно ли достичь абсолютного нуля? Что произойдет с молекулами, вынужденными оставаться в таком состоянии покоя? Распадутся ли они? Превратятся ли они в еще не наблюдаемую фазу материи? Что это будет означать?
Борьба за “постоянный газ”
Одним из джентльменов, способных ответить на эти вопросы, был шотландский ученый сэр Джеймс Дьюар. Опытный изобретатель и профессор Королевского института в Лондоне.
Эффект Джоуля-Томсона описывает тенденцию большинства газов к охлаждению, когда они расширяются через клапан. Это дало возможность охлаждать вещества поэтапно. Используя ряд газов, каждый из которых труднее сжижать, чем предыдущий.
Экспериментаторы использовали насосы для сжатия каждого газа в отдельные резервуары для хранения. Затем они использовали охлаждающие ванны и теплообменники, чтобы снизить температуру каждого заполненного резервуара. Как только каждый сжатый газ будет достаточно охлажден, начнется “каскадный” процесс.
“Гора водорода”
Джеймс Дьюар любил называть эту задачу “горой водорода”. Дьюар знал, что, если он сможет стать первым, кто ее покорит, его имя будет записано в залах Королевского института рядом с именем великого Майкла Фарадея. Таким образом, в середине 1880-х годов сэр Джеймс Дьюар решил направить все свои научные и инженерные ресурсы на криогенные исследования с целью сжижения водорода.
По мере продвижения экспериментов Джеймс Дьюар провел серию публичных лекций. Чтобы демонстрировать свойства самых холодных жидкостей. Специальные “сосуды Дьюара”, которые он использовал для работы с этими жидкостями, были его собственным изобретением.
Стеклянный сосуд со слоем вакуума между внутренней и внешней стенками. Ученый окунал обычно гибкие предметы в жидкий азот, а затем разбивал их, как стекло. Он доставал колбу с голубоватым жидким кислородом, который бурно кипел при комнатной температуре. Наконец, он помещал зажженную свечу в пары жидкого кислорода, что вызвало драматическую вспышку пламени.
Он завершал эти демонстрации низких температур, объясняя аудитории, что наука все больше приближается к максимально низкой температуре. После чего молекулы станут совершенно неподвижными. И, вероятно, произойдет “смерть вещества”.
Ожижитель водорода Дьюара
Дьюар усовершенствовал свою каскадную систему охлаждения. В лаборатории был установлен современный бензиновый насос мощностью 100 лошадиных сил, и 10 мая 1898 года Джеймс Дьюар и лаборанты Роберт Леннокс и Джеймс Хит подготовили для попытки свое изобретение.
Джеймс Дьюар взял небольшой пузырек с жидким кислородом и погрузил его в новую жидкость. Бледно-голубой кислород мгновенно превратился в бледно-голубое твердое вещество. Это доказало, что двадцать кубических сантиметров жидкости в коллекторе действительно были водородом.
Благодаря десятилетним усилиям он создал самый холодный объект, который когда-либо видела Земля, всего на 21 жалкий кельвин выше абсолютного нуля. Он сделал то, что великий Майкл Фарадей когда-то считал невозможным. Он сжижил последний имеющийся “постоянный газ” и обеспечил себе место в истории.
По крайней мере, так он думал.
Новая цель – гелий
Как выяснилось, его достижение затмило другое открытие: химики определили еще один элементарный газ, температура разжижения которого была даже ниже, чем у водорода. Действительно, гелий настолько легкий, что избегает гравитации Земли и уносится в космос, однако ученые наконец начали находить некоторые из них, заключенные в скалах, песках и полостях. Гелий стал новым последним постоянным газом, и, следовательно, его сжижение стало самой благородной целью.
К 1903 году Дьюар, наконец, набрал достаточно газа для попытки. Обновленная криогенная система была еще более сложной, чем прежде. Огромная фабрика холода, украшенная клапанами, канистрами, вентиляционными отверстиями и трубами. Ученые подключили свой драгоценный баллон со сжатым гелием к входному отверстию и использовали запас жидкого водорода для охлаждения контейнера.
Когда они открыли клапан, чтобы расширить сам гелий, некоторые примеси в газе замерзли внутри трубки и препятствовали потоку. Неизвестный ассистент с быстрыми рефлексами открыл гелиевый клапан. Но повернул его либо не в ту сторону, либо слишком далеко. Потому что вместо того, чтобы остановить поток гелия, он выпустил все это в лабораторию, провалив эксперемент.
Успех Камерлинг-Оннеса
На рассвете 10 июля 1908 года блестящий и амбициозный молодой ученый, работавшим в лаборатории Лейденского университета в Нидерландах, Камерлинг-Оннес и его помощники собрались в своей собственной низкотемпературной лаборатории в Лейдене. Оннес нашел свой собственный источник песка с примесью гелия. И он терпеливо провел годы, добывая и собирая собственные запасы этого дефицитного элемента.
Когда весть о намерении сделать гелий жидким распространилась по университетскому городку, небольшая толпа собралась в лаборатории, чтобы наблюдать.
В 16:20 критические части сборки были залиты жидким водородом, и исследователи открыли главный гелиевый вентиль. Их лабораторный компрессор шумно пыхтел, создавая постепенно увеличивающееся давление внутри расширительного бака. Чтобы увеличить вероятность конденсации гелия. В течение оставшейся части дня ученые непрерывно пополняли жидкий водородный хладагент и наблюдали за термометром. Который опускался к температурам, при которых гелий должен был разжижаться.
С помощью электрической лампы Оннес стал первым человеком на Земле, который увидел жидкий гелий. Ученые не ожидали, что показатель преломления жидкого гелия будет настолько низким, что его будет трудно увидеть при естественном освещении.
Новое состояние материи
Он не мог знать, что создал редкую и мимолетную сверхтекучую среду, ранее неведомое состояние материи. Вязкость или толщина жидкости вызвана рассеянием энергии из-за трения между частицами. Но, поскольку сверхтекучий жидкий гелий уже находится в самом низком состоянии, он не может рассеивать энергию. И поэтому она должна течь с нулевым сопротивлением.
Пройдет 15 лет, прежде чем любой другой исследователь добьется успеха в производстве жидкого гелия. Тем временем Оннес использовал свою гелиевую монополию для изучения воздействия температур, близких к абсолютному нулю, на различные материалы.
Наследие Джеймса Дьюара
Несмотря на его значительный вклад в науку, сэр Джеймс Дьюар никогда не был удостоен Нобелевской премии. Хотя получил девять номинаций. Вместо этого научная добыча досталась людям, которые основывались на его работе. Например, лорд Рэлей и сэр Уильям Рамзи использовали жидкий водород Дьюара в качестве инструмента для открытия элементов ксенон, неон и криптон, и они получили премию 1904 года по химии.
Дьюар никогда не уходил на пенсию и занимал должность профессора химии в Королевском институте до своей смерти 27 марта 1923 года. Большинство ученых сегодня все еще называют эти сосуды “Дьюарами” в его честь.
В 1937 году исследователи Петр Капица и Джон Ф. Аллен впервые официально наблюдали и описывали странное сверхтекучее состояние жидкого гелия. Они обнаружили, что при охлаждении жидкого гелия ниже лямбда-точки жидкость внезапно становится, устрашающе неподвижной. И приобретает странные свойства. Отдельные атомы гелия сливаются друг с другом и становятся единым “суператомом”. Также известным как частичная конденсация Бозе-Эйнштейна (БЭК).
Границы физических законов
Сегодня исследователи работают с температурами ниже одного градуса Кельвина при чрезвычайно высоких давлениях. Чтобы превратить гелий в лед, что в конечном итоге может выявить невиданное ранее сверхтвердое состояние.
Если теория окажется верной, сверхтвердые тела могут посмеяться над самим понятием твердости. Поскольку они также будут подчиняться принципу неопределенности. Кусок гелиевого льда будет вести себя как единый твердый и ошеломляюще скользкий атом. Но это совсем другая история.
Самая низкая температура, когда-либо полученная на Земле, была достигнута в 2003 году. Когда ученые Массачусетского технологического института охладили облако атомов натрия до 0,45 нанокельвина. Примерно на половину миллиардной кельвина выше абсолютного нуля. С помощью лазеров, испарительного охлаждения и “гравитомагнитные ловушки”.
Современные ученые уверены, что абсолютный ноль сам по себе является абсолютно недостижимой температурой. Так как потребовалось бы бесконечное количество времени и энергии. Чтобы выжать последнюю крошечную долю тепловой энергии. Тем не менее, нет ничего круче, чем увидеть, как наука упирается в самые границы физических законов Вселенной. И увидеть, как странно они там себя ведут.
