Абсолютный нуль температуры определяется как точка, в которой тепло больше не может покинуть систему. Это соответствует нулю по шкале Кельвина или минус 273,15 по шкале Цельсия. Это так же нуль по шкале Ранкина и минус 459,67 по Фаренгейту.
Классическая физика утверждает, что абсолютный нуль температуры означает полное отсутствие движения отдельных молекул. Однако экспериментальные данные показывают, что это не так. Скорее это указывает на то, что частицы при абсолютном нуле имеют минимальное колебательное движение. Другими словами, хотя тепло и не может покинуть систему при таких условиях, абсолютный нуль температуры все же не представляет собой минимально возможный энергетический уровень этой системы.
В квантовой механике абсолютный нуль представляет самую низкую внутреннюю энергию которое может иметь материя.
Абсолютный нуль и температура
Мы все используем понятие температуры для описания того, насколько горячий или холодный какой-либо объект. Температура объекта зависит от скорости колебаний его атомов и молекул. Хотя абсолютный нуль температуры представляет их колебания на самой низкой скорости, это движение на самом деле никогда не прекращается полностью.
Можно ли достичь абсолютного нуля?
Достичь температуры абсолютного нуля наука пока не может. И, скорее всего, это просто невозможно. Потому что извлечение очень маленьких объемов энергии потребует все больших и больших ее затрат. И извлечение энергии из системы до нуля потребует использования ее бесконечного количества. Хотя ученые все равно работают над решением этой задачи. Самой низкой температуры за всю историю современной физики удалось достигнуть двум ученым из США. Их имена – Эрик Корнелл и Карл Виман. В 1995 году им удалось охладить атом рубидия до температуры, которая была выше абсолютного нуля на 1/170 миллиардную долю градуса по Кельвину.
Отрицательные температуры
Физики утверждают, что бывают даже отрицательные температуры по Кельвину (или Ранкину). Однако это не означает, что частицы становятся холоднее абсолютного нуля. Скорее это показатель того, что просто уменьшилась их энергия.
Это происходит по той причине, что температура является термодинамической величиной. Она связывает между собой энергию и энтропию. Когда система приближается к своей минимальной энергии, ее энтропия начинает увеличиваться. Это происходит только при особых обстоятельствах. Например, в квазиравновесных состояниях. Однако такая активность может привести к возникновению отрицательной температуры. Даже если энергия системы начнет увеличиваться.
Это может показаться странным, но система с отрицательной температурой может быть более горячей, чем система с положительной температурой. Так происходит потому, что распределение тепловой энергии может иметь разное направление. Обычно, в мире с положительной температурой, тепло течет из более горячего места, такого как нагретая печь, в более прохладное место, такое как комната. В системе с отрицательными температурами все будет происходить наоборот.
3 января 2013 года ученые сумели получить квантовый газ, состоящий из атомов калия, который имел отрицательную температуру. Еще ранее, в 2011 году, Вольфганг Кеттерле, Патрик Медли и их команда продемонстрировали возможность получения отрицательной абсолютной температуры в магнитной системе.