Можно ли достичь температуры абсолютного нуля?
Абсолютный ноль, обозначаемый как 0 Кельвина (−273,15 °C), представляет собой теоретический предел, при котором все тепловое движение атомов и молекул полностью прекращается. Однако, согласно законам квантовой механики и термодинамики, достичь этой температуры принципиально невозможно.
Принцип неопределенности Гейзенберга запрещает полную остановку частиц, поскольку это потребовало бы точного знания их координат и импульсов одновременно, что противоречит фундаментальным квантовым ограничениям. Кроме того, любая система при абсолютном нуле сохраняет энергию нулевых колебаний — минимальную энергию основного состояния, которую невозможно изъять.
Несмотря на это, ученые смогли приблизиться к абсолютному нулю на практике, используя передовые методы охлаждения. Одним из ключевых достижений стало охлаждение ядерных спинов до температур ниже 100 пикокельвинов (пК) в 2000 году в Хельсинкском технологическом университете. Важно отметить, что эта температура относилась только к спиновой степени свободы, а не ко всей термодинамической системе.
В 2003 году астрономические наблюдения выявили, что туманность Бумеранг, испускающая газ с огромной скоростью, имеет температуру около 1 К (−272,15 °C), что сделало ее самым холодным известным естественным объектом во Вселенной.
Значительный прорыв произошел в 2014 году, когда эксперимент CUORE в итальянской лаборатории Гран-Сассо охладил медный сосуд объемом 1 м³ до 0,006 К (−273,144 °C), установив рекорд для макроскопического объекта. В 2015 году физики из MIT добились еще более низких температур, охладив молекулы газообразного натрий-калия до 500 нанокельвинов (нК).
Дальнейшие эксперименты в условиях микрогравитации на Международной космической станции (МКС) позволили достичь еще более экстремальных значений. В 2018 году Лаборатория холодного атома (CAL) начала исследования конденсатов Бозе-Эйнштейна в космосе, где отсутствие гравитации минимизирует тепловые возмущения. Это открыло путь к температурам вплоть до 1 пикокельвина (пК).
Современный рекорд был установлен в 2021 году, когда ученые добились эффективной температуры 38 пК (0,000000000038 К) в системе конденсатов Бозе-Эйнштейна. Этот результат демонстрирует, насколько близко наука может подойти к абсолютному нулю, хотя его полное достижение остается недостижимым в силу фундаментальных физических законов.
Средняя температура Вселенной, измеренная по реликтовому излучению, составляет около 2,73 К (−270,42 °C). Согласно космологическим моделям, она будет продолжать снижаться по мере расширения пространства, но никогда не достигнет абсолютного нуля из-за квантовых эффектов и сохраняющейся энергии вакуума. Таким образом, исследования сверхнизких температур не только расширяют границы человеческих знаний, но и подтверждают незыблемость законов квантовой физики и термодинамики.