Абсолю́тный нуль температу́ры (реже — Абсолю́тный ноль температу́ры) — минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной. Это состояние характеризуется достижением системой минимума внутренней энергии и, в идеальном случае, нулевой энтропии.

Абсолютный нуль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина и шкалы Ранкина. По шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C, а по шкале Фаренгейта — −459,67 °F.

В рамках применимости термодинамики абсолютный нуль на практике недостижим. Однако возможно получение температур, бесконечно близких к нулю. В таких условиях вещества демонстрируют экзотические квантовые свойства, такие как сверхпроводимость, сверхтекучесть, образование конденсата Бозе — Эйнштейна и другие.

Определение Понятие абсолютного нуля может быть выведено из экстраполяции законов идеального газа. Для идеального газа давление (при постоянном объёме) и объём (при постоянном давлении) линейно зависят от температуры:

где  — давление,  — объём,  — абсолютная температура.

Если выразить эти зависимости через шкалу Цельсия, то графики давления (или объёма) пересекают ось температур в точке −273,15 °C (см. иллюстрацию). Это подразумевает существование нижнего предела температуры, ниже которого газ должен был бы иметь отрицательный объём или давление, что физически невозможно.

Для устранения этого противоречия вводится понятие абсолютной температуры, где 0 кельвинов (К) определяется как точка, в которой давление или объём идеального газа обратились бы в нуль.

В 1954 году X Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой — тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (что соответствует 0,01 °C).

Недостижимость абсолютного нуля Согласно третьему началу термодинамики, энтропия системы стремится к постоянному минимуму по мере приближения температуры к абсолютному нулю. Для идеального кристалла этот минимум принимается равным нулю, так как система переходит в состояние идеального порядка с единственно возможным микросостоянием. Некоторые реальные системы могут иметь больше одного микросостояния и остаточную энтропию при 0 КBlundell, Stephen J.; Blundell, Katherine M. (2010). Concepts in Thermal Physics. Oxford: Oxford university press. pp. 193—198. ISBN 978-0-19-956209-1..

Следствием третьего начала термодинамики является принципиальная недостижимость абсолютного нуля. Никакой физический процесс не способен охладить систему до 0 К за конечное число шаговShell, M. Scott (16 April 2015). Thermodynamics and Statistical Mechanics. Cambridge: Cambridge University Press. pp. 312—315. ISBN 978-1-107-01453-4.. По мере приближения к этому пределу отвод тепла становится все менее эффективным, поскольку изменение энтропии в любых процессах стремится к нулюAtkins, Peter William; Paula, Julio De; Keeler, James (2018). Atkins' Physical Chemistry (11th ed.). Oxford, United Kingdom ; New York, NY: Oxford University Press. pp. 93-96. ISBN 978-0-19-876986-6.. Хотя достижение точного нуля невозможно, к нему можно бесконечно приближаться, получая температуры, лишь на доли миллиардных градуса превышающие этот предел.

Физические свойства при низких температурах

Нулевая энергия Вопреки представлениям классической физики о полном прекращении движения частиц, квантовая механика утверждает, что даже при абсолютном нуле система сохраняет минимальное количество энергии, называемое нулевой энергиейTownsend, John (19 July 2012). A Modern Approach to Quantum Mechanics. Mill Valley, Calif: University Science Books. pp. 257—259. ISBN 978-1-891389-78-8.. Это обусловлено принципом неопределённости Гейзенберга, который запрещает частицам иметь одновременно точно определённые координаты и импульс.

Ярким примером влияния нулевой энергии является гелий: при нормальном атмосферном давлении он остается жидким даже при температурах, предельно близких к абсолютному нулю. Большая амплитуда нулевых колебаний атомов гелия препятствует образованию кристаллической решётки; его затвердевание возможно только при повышении давления.

Тепловые свойства твёрдых тел При температурах, близких к абсолютному нулю, теплоёмкость твёрдых тел стремится к нулю. Согласно модели Дебая, теплоёмкость и энтропия чистого кристалла пропорциональны кубу температуры (). Аналогично, коэффициент теплового расширения и другие термодинамические величины также исчезают при .

Электроны в металлах Поведение электронов в металлах при низких температурах описывается моделью газа Ферми. Поскольку электроны являются фермионами и подчиняются принципу запрета Паули, они не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Это вынуждает электроны занимать уровни с высокими энергиями даже при абсолютном нуле.

Максимальная энергия электронов при 0 К называется энергией Ферми, а соответствующая ей температура (температура Ферми) для металлов составляет около 80 000 К. Это объясняет, почему электроны в металлах сохраняют высокие скорости движения даже при сверхнизких температурах.

Энергия Гиббса Из отношения изменений свободной энергии Гиббса (), энтропии () и энтальпии ()

видно, что при приближении температуры () к абсолютному нулю изменения энергии Гиббса и энтальпии стремятся друг к другу, а их производные по температуре становятся равными нулю.

Это служит теоретическим обоснованием эмпирического принципа Томсена — Бертло, согласно которому самопроизвольные реакции, как правило, являются экзотермическимиHerbert Bernard Callen, Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, 186—187..

История изучения

Ранние представления Впервые возможность существования абсолютного минимума холода обсуждалась в XVII веке. Роберт Бойль в 1665 году в труде «Новые эксперименты и наблюдения, касающиеся холода» рассматривал этот вопрос, хотя мнения натурфилософов о природе «высшего холода» разнилисьBoyle, Robert (1665). New Experiments and Observations touching Cold..

В 1703 году французский физик Гийом Амонтон представил воздушный термометр и теоретически обосновал ноль шкалы как точку, где воздух «теряет всю свою упругость». Его расчеты дали значение около −239,5 °C. Позже, в 1779 году, немецкий учёный Иоганн Генрих Ламберт уточнил это значение до −270 °CВклад Амонтона: Искусство получения холода Lambert, Johann Heinrich (1779). Pyrometrie. Berlin, Germany. OCLC 165756016..

В России значимый вклад в понимание природы теплоты внес М. В. Ломоносов. В своей кинетической теории он связывал теплоту с «коловратным» (вращательным) движением частиц. Согласно его теории, полное прекращение такого движения должно соответствовать предельной степени холода.

В начале XIX века Жак Шарль, Джон ДальтонJ. Dalton (1802), «Essay II. On the force of steam or vapour from water and various other liquids, both in vacuum and in air» and Essay IV. «On the expansion of elastic fluids by heat» , Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester, vol. 8, pt. 2, pp. 550—574, 595—602. и Жозеф Луи Гей-Люссак. English translation (extract). установили линейный закон теплового расширения газов, что позволило более точно экстраполировать точку нулевого объёма газа к значению около −273 °C.

Шкала Кельвина и сжижение газов В 1848 году лорд Кельвин, основываясь на работах Карно и Джоуля, предложил абсолютную шкалу температур, не зависящую от свойств рабочего вещества. Ноль этой шкалы (−273 °C) совпал с нулем воздушного термометра.

Во второй половине XIX века началась «гонка» за достижением абсолютного нуля через сжижение газов:

1877 г.: Луи Поль Кайете и Рауль Пикте получили первые капли жидкого воздуха (−195 °C). 1883 г.: Зигмунд Вроблевский и Кароль Ольшевский получили жидкий кислород (−218 °C). 1898 г.: Джеймс Дьюар впервые сжижил водород (−252 °C). 1908 г.: Хейке Камерлинг-Оннес сжижил гелий (−269 °C), что открыло путь к открытию сверхпроводимости. За свои достижения он был удостоен Нобелевской премии 1913 года.

Отрицательные температуры В термодинамике существуют особые квазиравновесные системы (например, системы ядерных спинов в магнитном поле), которые могут иметь формально «отрицательную» температуру по шкале Кельвина. Это состояние достигается, когда населённость верхних энергетических уровней превышает населённость нижних (инверсия населённости).

Физически это не температуры «ниже» нуля, и система с отрицательной абсолютной температурой является более «горячей», чем система с любой положительной температурой, так как при контакте энергия будет передаваться от системы с отрицательной температурой к системе с положительной.

Сверхнизкие температуры в природе

Средняя температура Вселенной сегодня составляет приблизительно 2,73 К (−270,42 °C), основываясь на данных реликтового излучения.

Самым холодным известным природным объектом является туманность Бумеранг, температура которой оценивается в 1 К (из-за быстрого расширения газа). В Солнечной системе одним из самых холодных объектов считается транснептуновый объект Седна с температурой поверхности около 33 К (−240 °C).

Рекорды в лабораторных условиях В настоящее время учёные продолжают достигать все более низких температур для изучения квантовых эффектов.

В 2014 году в эксперименте CUORE (Италия) медный сосуд объёмом 1 м охлаждали до 0,006 К в течение 15 дней.

В 2021 году группа учёных из Германии и Франции, используя линзирование волн материи конденсата Бозе — Эйнштейна (рубидий), достигла рекордно низкой температуры в 38 пикокельвинов ( К).

См. также Третье начало термодинамики Отрицательная абсолютная температура Планковская температура

Примечания

Литература Г. Бурмин. Штурм абсолютного нуля. — М.: «Детская литература», 1983

Категория:Фундаментальные ограничения Категория:Температура Категория:Модели в физике Категория:Ноль