Абсолютный ноль: почему до него нельзя дойти
Шкалу Цельсия придумали от воды: ноль — лёд, сто — пар. Кельвин отсчитывается от другого. Его ноль, −273,15 °C, не привязан ни к какому веществу, потому что это не точка на градуснике, а граница самой возможности быть холоднее.
Подойти к ней получается очень близко. Дойти — нет, и это не техническая трудность, а закон.
Температура — это движение
Температура измеряет, насколько бодро дёргаются частицы вещества. В горячем газе молекулы носятся сотнями метров в секунду, в холодном еле шевелятся. Охладить значит отобрать движение.
Отсюда и понятие абсолютного нуля: состояние, в котором отбирать больше нечего. Тепловое движение прекращается полностью.
Оговорка важна. Полностью неподвижными частицы всё равно не станут: квантовая механика запрещает одновременно точно знать положение и импульс, и у любой системы остаётся неустранимая нулевая энергия — дрожь, которую нельзя вынуть. Жидкий гелий по этой причине не затвердевает при обычном давлении вообще, ни при какой температуре: его собственное квантовое дрожание сильнее сил, которые пытаются собрать его в кристалл.
Правило, запрещающее дойти
Формально запрет называется третьим началом термодинамики. Его сформулировал Вальтер Нернст в 1912 году, и звучит оно ровно так: достичь абсолютного нуля никакой процедурой невозможно.
Понять его проще всего через устройство любого холодильника. Охлаждение — это всегда перекачка тепла из холодного места в место потеплее, и каждый цикл забирает не всё оставшееся тепло, а его долю. Половину, треть, сколько получится.
Дальше арифметика безжалостна. Половина от половины от половины — это ноль только на бесконечности. Чтобы отнять последнюю крупицу, нужно бесконечное число шагов или бесконечное время. И чем ближе к нулю, тем дороже каждый следующий шаг: остывать становится буквально не с чем, потому что «теплее» вокруг уже почти всё.
Насколько холодно бывает само по себе
Пустой космос не холоден до нуля. Его наполняет реликтовое излучение — остывший свет Большого взрыва, задающий фоновую температуру 2,725 К, то есть около −270,4 °C. Ниже этого фона естественным путём остыть трудно: всё, что холоднее, начинает нагреваться от самого космоса.
Один объект всё же ухитрился. Туманность Бумеранг, умирающая звезда в созвездии Центавра, выбрасывает газ так быстро, что тот расширяется и охлаждается по тому же принципу, что и воздух из баллончика. В 1995 году Сахаи и Найман, наблюдая на 15-метровом шведском телескопе SEST в Чили, намерили там около 1 К.
Это единственное известное место во Вселенной, которое холоднее реликтового фона. И всё равно на градус выше абсолютного нуля.
Что умеют в лаборатории
Лаборатории обошли природу с огромным запасом, но не привычным холодильником, а лазерами.
Приём выглядит парадоксально: атомы охлаждают светом. Лазер настраивают чуть ниже частоты атомного перехода, и тогда атом поглощает фотон охотнее, если летит навстречу лучу. Каждое поглощение слегка тормозит его. Атомное облако, обстрелянное со всех сторон, вязнет в свете и замирает. За лазерное охлаждение в 1997 году дали Нобелевскую премию по физике.
Дальше включают испарительное охлаждение: из ловушки выпускают самые быстрые атомы, оставшиеся перераспределяют энергию, средняя падает. Так остывает суп, с которого сдувают пар, только точнее.
В 2003 году группа Вольфганга Кеттерле в MIT довела конденсат Бозе — Эйнштейна из атомов натрия до 450 ± 80 пикокельвинов — это 4,5·10⁻¹⁰ градуса выше нуля.
Рекорд 2021 года ещё удивительнее. Команда Бременского центра ZARM запустила конденсат рубидия в 120-метровой башне свободного падения: в невесомости облако можно расширять сколь угодно медленно, не борясь с гравитацией. Эффективная температура — около 38 пикокельвинов.
Тридцать восемь триллионных градуса. И всё равно не ноль.
Странность на закуску: температуры ниже нуля
Есть системы, температуру которых формально записывают со знаком минус, и они не холоднее абсолютного нуля, а горячее бесконечности.
Обычно частиц на низких энергетических уровнях больше, чем на высоких. Если искусственно вывернуть распределение наизнанку — заселить верхние уровни плотнее нижних, — формула для температуры даст отрицательное значение. В 2013 году Браун, Шнайдер и коллеги проделали это с ультрахолодными атомами калия в оптической решётке и опубликовали результат в *Science*.
Такая система при контакте с любой нормальной отдаёт ей тепло, то есть ведёт себя как более горячая. Шкала температур в этом смысле не прямая, а кольцо: за плюс бесконечностью идёт минус бесконечность и дальше к минус нулю.
Абсолютный ноль на этом кольце остаётся единственной точкой, к которой не подобраться ни с какой стороны.