Как достичь абсолютного нуля?

Температуры абсолютного нуля достичь принципиально невозможно. Тем не менее, исследователи смогли достичь очень близкой к абсолютному нулю температуры.  

Ничто не может быть охлаждено до температуры абсолютного нуля. Температура объекта является мерой средней энергии случайного движения (кинетической энергии) его атомов.

Абсолютный ноль (Absolute zero) — это температура, при которой все атомы объекта полностью остановились по отношению друг к другу. Эта температура обозначается цифрой ноль на абсолютных температурных шкалах, таких как шкала Кельвина.

Теоретическая температура определяется путем экстраполяции закона идеального газа; по международному соглашению абсолютный ноль принимается равным -273,15 градуса по шкале Цельсия.

Абсолютный ноль — это скорее фундаментальный предел, чем достижимая температура. Абсолютный ноль никогда не может быть достигнут идеально из-за квантовых флуктуаций.

Идеальная остановка каждого атома в определенной точке потребовала бы фиксации точного местоположения и импульса атома, что физически невозможно в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга.

Каждая квантовая система имеет ненулевую энергию основного состояния, которая является наинизшим возможным состоянием.

Кроме того, законы термодинамики указывают на то, что абсолютный ноль не может быть достигнут только термодинамическими средствами, поскольку температура охлаждаемого вещества асимптотически приближается к температуре охлаждающего агента, а система при абсолютном нуле все еще обладает квантово-механической энергией нулевой точки, энергией ее основного состояния при абсолютном нуле. Кинетическая энергия основного состояния не может быть удалена.

Несмотря на недостижимость температуры абсолютного нуля, ученым удалось подобраться очень близко к нему.

В ноябре 2000 г. в лаборатории низких температур Хельсинкского технологического университета, Финляндия, сообщалось о температурах ядерных спинов ниже 100 пК.

Однако это была температура одной конкретной степени свободы — квантового свойства, называемого ядерным спином, а не общая средняя термодинамическая температура для всех возможных степеней свободы.

В феврале 2003 года было замечено, что туманность Бумеранг выпускала газы со скоростью 500 000 км/ч в течение последних 1500 лет. Это охладило его примерно до 1 К, согласно астрономическим наблюдениям, что является самой низкой естественной температурой из когда-либо зарегистрированных.

В сентябре 2014 года ученые коллаборации CUORE в Лаборатории Национали дель Гран-Сассо в Италии охладили медный сосуд объемом один кубический метр до 0,006 кельвина (-273,144 ° C) в течение 15 дней, установив рекорд для самой низкой температуры в известной Вселенной.

В июне 2015 года физики-экспериментаторы из Массачусетского технологического института охладили молекулы в газообразном натрий-калии до температуры 500 нанокельвинов.

В 2017 году Лаборатория холодного атома (CAL) разработала экспериментальный прибор для запуска на Международную космическую станцию ​​(МКС) в 2018 году. Прибор создал экстремально холодные условия в условиях микрогравитации на МКС, что привело к образованию конденсатов Бозе-Эйнштейна. Предполагается, что в этой космической лаборатории достижимы температуры до 1 пикокельвина.

Текущий мировой рекорд эффективных температур был установлен в 2021 году на уровне 38 пикокельвинов (пК), или 0,000000000038 градусов Кельвина, с помощью конденсатов Бозе-Эйнштейна.

Предыдущая версия этой статьи была опубликована в январе 2022 года.