Мы все знаем, что в космосе жутко холодно. А в некоторых его местах особенно. Но какова самая низкая возможная температура Вселенной?
В повседневной жизни мы, жители России и прилегающих районов, имеем дело с температурами, измеряемыми в градусах Цельсия. В отличие от США, Белиза, Багамских и Каймановых островов, которые до сих пор официально используют довольно странную шкалу Фаренгейта. Однако весь остальной мир, вероятно глядя на нас😁, измеряет температуру в градусах Цельсия.
У нас, людей, есть довольно хорошее представление о том, когда холодно, а когда нет. Всем нам понятно, что когда температура становится отрицательной, то это холодно. И нам даже приходится тепло одеваться, чтобы выйти на улицу. Однако есть ли предел отрицательной температуре? Может ли какое-нибудь тело остыть до… минус миллиона градусов? Давайте разберёмся.
Холодно на Земле
Самая низкая температура, когда-либо зафиксированная на Земле, –89,2 градуса по Цельсию. Так свежо было на советской антарктической станции «Восток» 21 июля 1983 года. 5 февраля 1892 года в городе Верхоянск, Россия, температура опустилась до -67,8 градуса по Цельсию. Администрация города даже собрала экстренное заседание по вопросу запрета продажи детям до 5 лет мороженого больше двух штук в руки😁. Для сравнения: в Германии 12 февраля 1929 года температура в Верхней Баварии упала до -38 градусов по Цельсию. И это была катастрофа. Потому что вымерзли все виноградники.
В космосе ужасно холодно. Фактически, температура вакуума составляет -270 градусов. Или нет, не так. Температура реликтового излучения, заполняющего космическое пространство, составляет около 3 Кельвинов.
И тут начинаются проблемы. Не из-за низких температур. А потому, что становится сложно использовать привычное нам понятие «температура». Поскольку под этим мы обычно понимаем то, что ощущаем.
Разные ощущения
Дело тут вот в чём.
Все мы сталкивались с этим явлением, например, при посещении парилки. Воздух в ней может иметь температуру до 100 градусов по Цельсию! И мы не только терпим такую температуру, мы даже заходим в парилку добровольно. Но с другой стороны – никто добровольно не станет прыгать в воду температурой в 100 градусов! А если и прыгнет, то этот гражданин получит сильные ожоги! Очевидно, что горячая вода при той же температуре кажется намного горячее чем горячий воздух. Из-за своей плотности.
Дело в том, что в воде находится гораздо больше атомов или молекул в том же объёме, чем в воздухе. И они двигаются тем быстрее, чем больше у них энергии. А чем выше температура, тем больше у них этой энергии. Частицы передают эту энергию друг другу или людям посредством столкновений. И чем больше частиц, тем нам жарче.
Но, как мы все знаем, Вселенная довольно пустая штука. А там, где ничего нет, никакой температуры не почувствуешь. Температуры в космосе ни в коем случае не следует сравнивать напрямую с температурами, к которым мы привыкли здесь, на Земле.
Солнечный ветер и фоновое излучение
Наше Солнце, например, постоянно выбрасывает частицы из своей атмосферы в космос. Это процесс называется солнечный ветер. В этих частицах много энергии. И они имеют температуру в несколько миллионов градусов. Но поскольку частиц сравнительно немного, у них мало шансов столкнуться с чем-либо в космическом вакууме и передать свою энергию. Так что если бы Вы по каким-то своим делам находились в космосе, Вам не пришлось бы беспокоиться о том, что Вы можете обжечься от «жара» солнечного ветра.
Вакуум космоса будет неизбежно оставаться «холодным». Несмотря на пронизывающий его «жаркий» солнечный ветер. Потому что у него нет ничего, что могло бы иметь температуру. Или передавать энергию.
Но вот только Вселенная – это не идеальный вакуум. В пространстве всегда что-то есть. Например, вышеупомянутое космическое фоновое излучение. Это излучение появилось вскоре после Большого взрыва. И с тех пор продолжает распространяться по всей Вселенной. И, следовательно, его можно найти повсюду и сегодня. В каждом кубическом сантиметре пространства всегда присутствует несколько сотен фотонов фонового излучения. Это, конечно, крайне мало, потому что фотон крошечный, а кубический сантиметр пространства по сравнению с ним просто гигантский.
Однако этому фоновому излучению можно присвоить некую температуру. Потому что излучение всегда соответствует энергии. В данном случае эта температура равняется -270 градусов по Цельсию. Фоновое излучение есть везде в космосе. И поэтому везде имеет одинаковую температуру.
Абсолютный нуль. Холодно
Итак, мы почти достигли точки, после которой уже ничто не может стать холоднее. И такая абсолютная нулевая точка действительно существует. Это -273,15 градуса Цельсия, а также нулевая точка температурных шкал, используемых в науке. Это так называемый «абсолютный нуль». И его значение равно 0 Кельвинов. Или -273,15 градуса Цельсия.
Но почему холоднее не может быть? Это связано со свойствами самой материи. На самом деле температура, о которой мы здесь говорим, связана с движением. Если Вы будете кому-нибудь пересказывать эту статью, и захотите быть корректным с научной точки зрения, Вам нужно сейчас понять, что такое «энтропия». Если говорить простыми словами, энтропия системы уменьшается с понижением её температуры. Вы можете визуализировать этот процесс с помощью кубика льда. Чтобы вода была твёрдой, её молекулы должны располагаться очень специфическим образом, образуя кристалл. В противном случае молекулы просто снуют туда-сюда. И мы имеем жидкую воду. Чем больше энергии, тем быстрее движутся атомы. И тем труднее или менее вероятно, что они примут точно одно упорядоченное кристаллическое состояние, которое превратит их в твёрдый лёд. Чем выше температура, тем больше энергии содержится в молекулах. И тем больше возможных состояний они могут принимать. И тем больше энтропия, которая является мерой числа возможных состояний.
Нет частиц
То есть: чем холоднее что-то, тем меньше у его частиц кинетической энергии. И тем меньше у них возможностей самоорганизовываться. И тем меньше энтропия. А если вообще нет движения, то больше нет никакой вибрации. Нет вообще ничего. В системе больше нет ни энтропии, ни температуры. Это и есть абсолютный ноль.
Но на самом деле он существует только в теории. Теоретически конечно можно приблизиться к температуре 0 Кельвинов. Но ничто и никогда не сможет достичь её. В основном это связано с квантовой механикой, которая говорит, что частица никогда не может быть «спокойной», потому что в квантовой механике вообще нет никаких «частиц».
Частица, которая ничего не делает, будет иметь фиксированное местоположение и фиксированную скорость (а именно нулевую). Но этого не может быть, потому что «частиц» на самом деле не существует. По крайней мере в виде тех маленьких шариков, которые нам нравится представлять. Квантовая механика говорит, что «частицы» — это «нечто», что не может быть точно локализовано. Это что-то всегда немного «размазано» в пространстве. Вот почему частицы иногда могут казаться нам немного похожими на волну. Они просто не имеют фиксированного местоположения и фиксированной скорости.
Именно это и утверждает знаменитый принцип неопределённости Гейзенберга: просто невозможно знать и точное местоположение, и скорость частицы. Но именно это имело бы место при температуре 0 Кельвинов. И поэтому её никогда нельзя достичь.
Туманность Бумеранг
Самое холодное место, которое нашли астрономы к настоящему моменту, находится на расстоянии 5000 световых лет от нас в созвездии Центавра. Это звезда, которая уже достигла конца своей жизни и выбрасывает в космос очень много газа и пыли. Именно так образовалась большая красочная космическая туманность, которую астрономы назвали «Туманность Бумеранг». И (согласно измерениям Европейской Южной Обсерватории, проведённым в 1995 году) это самое холодное известное место во Вселенной с температурой в… 1 Кельвин! Как же эта туманность сумела охладиться до такой низкой температуры?
Дело в том, что газ в этой туманности удаляется от звезды со скоростью более полумиллиона км/ч! Это приводит в тому, что туманность чрезвычайно быстро расширяется. Что и вызывает её сильное охлаждение. Так же примерно, охлаждается баллончик «Дихлофоса», когда Вы распыляете его содержимое на очередного жука😁.
Вполне может быть, что где-то во Вселенной есть места, где ещё холоднее. Но такого места астрономы ещё не нашли. Однако с человеческой точки зрения без разницы, что где-то 3 Кельвина, где-то 1 Кельвин. А где-то вообще миллиардная доля Кельвина. Любой человек замёрзнет гораздо раньше. И если температура человеческого тела упадёт ниже 293 Кельвинов, что составляет 20 градусов по Цельсию, то это означает для него не очень хорошие новости…