Абсолютный ноль — это самая низкая теоретическая температура, которую учёные определили как минус 459,67 градусов по Фаренгейту (минус 273,15 градусов по Цельсию). Это даже холоднее, чем в открытом космосе. До сих пор ничто из того, о чём мы знаем, не достигало абсолютного нуля. Но возможно ли вообще достичь этого пугающего рубежа?
Чтобы ответить на этот вопрос, давайте разберёмся, что вообще такое температура. Мы склонны думать о температуре как о том, насколько что-то горячо или холодно, но на самом деле это мера энергии или вибраций 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.
Учёные заинтересованы в достижении таких низких температур, потому что при замедлении частиц возникает немало интересных квантовых эффектов. Фундаментальным принципом квантовой механики является корпускулярно-волновой дуализм — явление, при котором частица, такая как фотон света, может вести себя либо как частица, либо как волна, сказал Санкальпа Гош (Sankalpa Ghosh), физик-теоретик конденсированных сред из Индийского технологического института в Дели.
Имея дело с квантово-механическими частицами, важно помнить об их «неразличимости» — «невозможно отслеживать частицы или волны индивидуально, как мы можем это делать с более крупными объектами», — сказал Гош Live Science в электронном письме. «Происхождение этого можно проследить до знаменитого принципа неопределённости Гейзенберга, который количественно описывает вероятностную природу квантово-механических измерений (это означает, что, когда положение частицы точно измерено, её импульс известен менее точно, и наоборот). Эта вероятностная природа придаёт квантовомеханической частице волнообразный характер».
Степень этого квантово-волнового поведения выражается соотношением расстояний между частицами в системе, известным как тепловая длина волны де Бройля. При нормальных температурах такое квантовое поведение незначительно, но странные эффекты начинают проявляться по мере того, как частицы становятся холоднее.
«[Это соотношение] увеличивается по мере понижения температуры, и при абсолютном нуле оно фактически равно бесконечности, — сказал Гош. — Из-за этого происходят такие квантовые явления, как сверхтекучесть (течение без трения), сверхпроводимость (ток протекает без какого-либо сопротивления) и ультрахолодная атомная конденсация.»
В ранних экспериментах по ультрахолоду, проведённых в 1990-х годах, для изучения этих эффектов использовался метод, известный как лазерное охлаждение.
«Свет оказывает на атомы силу, которая замедляет их до достаточно низких температур, около 1 Кельвина (минус 272,15 °С или минус 457,87 °F), — сказал Кристофер Фут (Christopher Foot), физик и специалист по ультрахолоду из Оксфордского университета. — [Это достаточно мало], чтобы увидеть квантовое поведение в твёрдых телах и жидкостях, но для газов, которые мы изучаем, нам нужны десятки нанокельвиновых температур, чтобы получить эти квантовые эффекты.»
Самая низкая температура, когда-либо зарегистрированная в лаборатории, была достигнута группой экспертов в Германии в 2021 году. Команда опускала магнитизированные атомы газа вниз по башне высотой 400 футов (120 метров), постоянно включая и выключая магнитное поле, чтобы замедлить частицы практически до полного застывания. В этом типе эксперимента, известном как магнитное охлаждение ловушкой, газообразные частицы достигли невероятных 38 пикокельвинов — 38 триллионных долей градуса Цельсия выше абсолютного нуля и находились в пределах диапазона, позволяющего начать наблюдать квантовые эффекты в газах.
Но есть ли смысл пытаться охлаждать материалы ещё больше? Вероятно, нет, по мнению Фута.
«Нас гораздо больше интересуют эти квантовые эффекты, чем достижение абсолютного нуля, — сказал он. — Охлаждённые лазером атомы уже используются в атомных стандартах, которые определяют универсальное время (атомные часы), и в квантовых компьютерах. Работа с более низкими температурами всё ещё находится на стадии исследования, и люди используют эти методы для проверки универсальных физических теорий.»
В настоящее время невозможно охладить эти последние 38 триллионных долей градуса, и для того, чтобы это стало реальностью, необходимо преодолеть несколько препятствий. На самом деле, даже если бы мы достигли абсолютного нуля, мы могли бы просто пропустить это значение из-за неточных методов измерения.
«С помощью современных приборов вы не смогли бы определить, было ли это ноль или просто очень, очень маленькое число, — сказал Фут.- Чтобы измерить абсолютный ноль, вам действительно понадобится бесконечно точный термометр, а это выходит за рамки наших нынешних измерительных систем.»
