Можно ли достичь абсолютного нуля?

Абсолютный ноль — это самая низкая теоретическая температура, она составляет минус 273,15 градусов по Цельсию. Это даже холоднее, чем в космическом пространстве. До сих пор ничто из того, о чем мы знаем, не достигло абсолютного нуля. Но возможно ли вообще достичь этой пугающей вехи?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте разберемся, что такое температура. Мы склонны думать о температуре как о том, насколько горячо или холодно что-то, 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.

Ученых интересует достижение 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, поясняет Санкальпа Гош, физик-теоретик конденсированного состояния из Индийского технологического института в Дели.

Имея дело с квантово-механическими частицами, важно помнить об их «неотличимости» — «невозможно отслеживать эти частицы или волны по отдельности, как мы можем это делать с более крупными объектами, - говорит Гош. - Знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга количественно определяет вероятностную природу квантово-механических измерений (это означает, что, когда положение частицы точно измерено, ее импульс менее точно известен, и наоборот). Эта вероятностная природа придает волновой характер квантовомеханической частице».

Степень этого квантово-волнового поведения выражается соотношением тепловой длины волны де Бройля и расстояния между частицами. 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, — говорит Гош. - Из-за этого происходят квантовые явления, такие как сверхтекучесть (поток без трения), сверхпроводимость (ток течет без какого-либо сопротивления) и ультрахолодная атомная конденсация».

В ранних экспериментах по ультрахолоду, проведенных 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 C), — рассказывает Кристофер Фут, физик ультрахолода из Оксфордского университета. - «Это достаточно низко, чтобы увидеть квантовое поведение в твердых 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 в Германии в 2021 году. Команда сбрасывала намагниченные атомы газа на башню высотой 120 метров, постоянно включая и выключая магнитное поле, чтобы замедлить частицы почти до полной остановки. В эксперименте этого типа, известном как охлаждение магнитной ловушкой, газообразные частицы достигли невероятных 38 пикокельвинов — 38 триллионных долей градуса Цельсия выше абсолютного нуля и вполне в пределах диапазона, позволяющего начать наблюдать квантовые эффекты в газах.

Но есть ли смысл пытаться охлаждать материалы еще больше? Вероятно, нет, по мнению Фута. «Нас гораздо больше интересуют эти квантовые эффекты, чем достижение абсолютного нуля, — говорит он. - Атомы, охлажденные лазером, уже используются в атомных стандартах, определяющих универсальное время (атомные часы), и в квантовых компьютерах».

В настоящее время невозможно охладить эти последние 38 триллионных градуса — придется преодолеть несколько препятствий, чтобы это стало реальностью. Фактически, даже если бы мы достигли абсолютного нуля, мы могли бы этого не узнать из-за неточных методов измерения.

«С нынешними инструментами невозможно сказать, был ли это ноль или просто очень, очень маленькое число, — заключает Фут. - Чтобы измерить абсолютный ноль, нам понадобится бесконечно точный термометр, а это выходит за рамки наших нынешних измерительных систем».