Учёные достигли рекордной температуры 0,000000001 К на МКС

Температура оказывает значительное влияние на поведение веществ, представляя собой один из ключевых факторов. Что же происходит, когда температурное значение приближается к своему нижнему пределу? Абсолютный ноль (-273,15°C) — это предельная отметка, при которой, согласно классической физике, прекращается всякая тепловая активность, и движение атомов полностью замирает. Температурный режим ниже этой точки невозможен.

Каким образом вещество проявляет себя в условиях, близких к абсолютному нулю? Что ожидает человека в самых холодных уголках Вселенной? Существуют ли места в космосе, где температура приближается к этой крайней точке?

Почему при -273,15°C атомы останавливаются? Температура является не просто цифровым значением на термометре; она отражает энергетический уровень атомов и молекул. При нагревании частицы начинают ускоряться, сталкиваясь между собой и излучая тепло. Абсолютный ноль считается границей, за которой любое движение должно прекратиться. Однако квантовая механика лишает атомы возможности полной остановки.

Феномен неопределенности Гейзенберга объясняет эту ситуацию. Согласно данному принципу, невозможно с точностью определить одновременно положение и скорость частицы. Если бы атомы полностью останавливались при абсолютном нуле, это нарушало бы этот принцип, что делает невозможным полное прекращение квантовых колебаний даже при самой низкой температуре.

Ученые обозначают это явление как нулевые колебания, подчеркивая, что даже в самых холодных точках Вселенной атомы не являются полностью неподвижными. Что же случится с человеком, попавшим в такую обстановку?

Перемещение в среду с температурой -273,15°C без специализированного оборудования невозможно, так как ни единый организм не способен выдержать даже приближение к таким условиям.

Наиболее очевидные последствия экстремального холода:

• Мгновенное замерзание жидкостей в организме: вода в клетках немедленно превращается в лёд, вызывая разрушение тканей.
• Остановка биологических процессов: вещества в клетках утратят подвижность, полностью прекращая химические процессы.
• Хрупкость материалов: при экстремально низких температурах даже металлы становятся ломкими, из-за изменений их кристаллической структуры.

На нашей планете самой низкой зафиксированной температурой является -98°C в Антарктиде. Однако, это ничтожно по сравнению с условиями, приближенными к абсолютному нулю, доступными в лабораторных и космических средах.

Ниже приведены самые холодные места в космосе и на Земле:

1. Туманность Бумеранг – самое холодное место во Вселенной (-272°C) находится в 5000 световых годах от Земли и представляет собой планетарную туманность. Температура в её центре всего на 1 градус выше абсолютного нуля. Причина такой низкой температуры объясняется процессом стремительного потери массы звездой в центре туманности, которое сопровождается охлаждением расширяющегося газа.

   

2. Космический микроволновый фон – природный предел холода составляет -270,4°C. После Большого взрыва Вселенная медленно остывала, средняя температура в настоящее время — -270,4°C. Эта почти что граница абсолютного нуля обусловлена микроволновым излучением, оставшимся после создания Вселенной, которое препятствует снижению температуры.
3. Искусственный рекорд холода, достигнутый в лабораторных условиях: в 2021 году ученые в лаборатории НАСА на борту Международной космической станции достигли температуры 0,000000001 K (0 K), что позволило исследовать поведение квантовых газов в условиях экстремального холода.

Что изменяется с веществами при абсолютном нуле?

• Образование Бозе-Эйнштейновского конденсата: при экстремально низких температурах атомы теряют свою индивидуальность, становясь частью единого квантового целого.
• Снижение сопротивления в металлах: определенные материалы при таких температурах становятся сверхпроводниками, позволяя электрическому току течь без энергетических потерь.
• Сверхтекучесть: жидкий гелий при приближении к абсолютному нулю приобретает уникальную способность течь через твёрдые структуры без трения.

  

Физика утверждает, что достижение абсолютного нуля невозможно, так как это потребовало бы отобрать у частиц остаточную энергию полностью, что жаждало бы неограниченное количество энергии. Однако научные исследования продолжаются, и достижения в этой области могут обеспечить революционные изменения в квантовой физике, открыв новые состояния вещества и возможности сверхпроводимости.

В заключение, хотя абсолютный ноль остается загадочной границей физики, его изучение и приближение к этой температуре может открыть новые научные горизонты, потенциально приводящие к принципиально новым технологическим достижениям. Эксперименты, проводимые в лабораториях, дают надежду на возможность контролирования квантовых состояний материи, углубляя наше понимание пределов физики в будущем.