Какво е абсолютната нула?

Що е то абсолютна нула? Наистина ли такава температура съществува някъде във Вселената? Можем ли да охладим нещо до абсолютната нула в реалния живот?

Има много причини, поради които си струва да се интересуваме от пределите на студеното. Така че нека да изследваме най-далечния от тях.

Наистина ли движението спира, когато достигне абсолютната нула? Можем ли да стигнем тази точка?

Що е то абсолютна нула?

За съвременната наука понятието „абсолютна нула“ има много важно значение – с него е тясно свързано такова понятие като свръхпроводимост, чието откритие е предизвикало истински фурор във втората половина на ХХ век.

За да разберем какво е абсолютна нула, следва да се обърнем към работите на такива известни физици като Габриел Фаренхайт, Андерс Целзий, Луи-Жозеф Гей-Люсак и Уилям Томсън. Именно те изиграват ключова роля в създаването на използваните до днес основни температурни скали.

Първи своята температурна скала предлага през 1714 г. немският физик Габриел Фаренхайт. В нея за абсолютна нула, тоест за най-ниската точка в тази скала, била приета температурата на смес, която включвала амониев хлорид (нишадър) в смес от вода и лед. Следващият важен показател станала нормалната температура на тялото.

Съответно всяко деление на скалата получило название „градус по Фаренхайт“, а самата скала – „скала на Фаренхайт“.

Тридесет години по-късно шведският физик Андерс Целзий предложил своя температурна скала, където основни точки станали температурата на топене на леда и точката на кипене на водата. Тази скала получила името „скала на Целзий“ и до днес е популярна в повечето страни по света.

През 1802 г., провеждайки своите знаменити опити, френският учен Луи-Жозеф Гей-Люсак открил, че обемът на газа при постоянно налягане се намира в пряка зависимост от температурата. Но най-любопитното било, че при изменението на температурата с 10 градуса по скалата на Целзий обемът на газа се увеличава или намалява с една и съща величина.

Провеждайки необходимите изчисления, Гей-Люсак открил, че тази величина се равнява на 1/273 от обема на газа при температура, равна на °С.

От този закон следвал изводът, че температура, равна на -273°С, се явява най-ниската температура, която дори не може да се доближи (но ето че учените получиха температура под абсолютната нула). Именно тази температура станала „абсолютна нула“. Освен това абсолютната нула станала отправна точка за създаване на скала на абсолютната температура, в която активно участие взел Уилям Томсън, известен също като Лорд Келвин.

Неговото основно изследване засягало доказателства, че нито едно тяло в природата не може да бъде охладено под абсолютната нула. При това той активно използвал втория закон на термодинамиката, затова изведената от него през 1848 г. абсолютна скала на температурите започнала да се нарича термодинамична, или „скала на Келвин“. В следващите години и десетилетия имало само числово уточнение на понятието „абсолютна нула“, което след многобройни съгласувания започнало да се смята за равно на минус 273,15°С.

През 1960 година, на поредната конференция по мерки и теглилки, единицата за термодинамична температура – келвин – станала една от основните единици за измерване. Специално било посочено, че един градус по Келвин е  равен на градус по Целзий, само че за отправна точка „по Келвин“ е прието да се смята абсолютната нула, тоест -273,15°. Температурната скала на Целзий се определя в келвини, като 0°C съответстват на 273,15 келвина, което е точката на топене на леда при нормални условия.

Основният физичен смисъл на абсолютната нула се състои в това, че съгласно основните физични закони при такава температура енергията на движение на елементарните частици, такива като атоми и молекули, е равна на нула и в този случай трябва да спира всякакво хаотично движение на самите тези частици.

При температура, равна на абсолютната нула, атомите и молекулите трябва да заемат ясно положение в основните пунктове на кристална решетка, образувайки подредена структура. Днес, с използването на специално оборудване, учените са успели да получат температура само с няколко милионни надвишаваща абсолютната нула. Постигането на тази величина е невъзможно поради втория закон на термодинамиката.

Защо има абсолютна нула, но няма абсолютен максимум?

Нека надникнем в другата крайност. Ако температурата е просто мярка за енергия, то може да си представим атоми, които се ускоряват все по-близо до скоростта на светлината. Но може ли това да продължава вечно?

Накратко: не знаем. Напълно е възможно да съществува такова нещо като безкрайна температура, но ако има абсолютен предел, младата Вселена предоставя достатъчно интересни подсказки за него.

Най-високата температура, съществувала някога (или поне в нашата Вселена), вероятно се е случила в така нареченото Планково време. Това е бил миг с продължителност 10^-43 секунди след Големия взрив, когато гравитацията се е отделила от квантовата механика и физиката е станала такава, каквато е сега. Температурата в това време е била 10³² K. Това е септилион пъти по-горещо, отколкото нашето Слънце.

Отново не сме съвсем сигурни дали това е най-високата температура от всички възможни. Тъй като нямаме дори модели на Вселената в момента на Планковото време, даже не сме сигурни, че Вселената е кипяла до такова състояние.

Във всеки случай сме доста по-близо до абсолютната нула, отколкото до абсолютната горещина.