На грани абсолютного нуля: как физики остудили материю до триллионных долей градуса

В глубоком космосе температура реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва, составляет около 2,7 Кельвинов (-270.45 °C). Самым холодным известным природным объектом считается туманность Бумеранг. Из-за сверхбыстрого расширения газа температура там упала до 1 Кельвина (-272.15 °C). Но если для природы это предел, то земные учёные смогли добиться куда более низких температур в лаборатории. Рассказываем, как им это удалось и что они благодаря этому узнали.

Что такое абсолютный ноль

Абсолютный ноль (0 К или -273.15 °C) — это состояние, при котором атомы вещества оказываются абсолютно неподвижны, т.к. в них недостаточно энергии даже на минимальное движение. Физически этого состояния невозможно достичь или пересечь в рамках равновесной термодинамики. Этот предел задают базовые законы квантовой механики. Тем не менее физики научились манипулировать свойствами вещества и подвели материю к этой черте на расстояние в миллиардные и триллионные доли градуса.

Что такое температура на квантовом уровне

В классической физике температура — это мера средней кинетической энергии хаотического движения частиц. Чем сильнее охладить вещество, тем медленнее двигаются атомы. Согласно этой логике, при достижении абсолютного нуля все атомы и молекулы должны полностью замереть в пространстве. Но классическая картина рушится при переходе к квантовым масштабам.

Попытка полностью остановить частицу в одной точке сталкивается с принципом неопределённости Гейзенберга. Этот закон гласит, что невозможно одновременно точно знать положение частицы и её импульс. Если бы атом полностью остановился при 0 К, его импульс стал бы точно равен нулю. В таком случае неопределённость его положения стала бы бесконечной. Но атомы в реальном веществе всегда локализованы в пространстве, поэтому их импульс принципиально не может равняться нулю. Если измерить положение частицы вблизи абсолютного нуля, она будет «дрожать» из-за квантовой неопределённости, сохраняя кинетическую энергию.

Даже при абсолютном термодинамическом нуле любая система сохраняет минимальную остаточную энергию — энергию нулевых колебаний. Яркий пример такого явления — жидкий гелий. Из-за малого веса атомов и сильных нулевых колебаний гелий-4 остаётся жидким вплоть до абсолютного нуля при нормальном давлении. Он кристаллизуется только под внешним давлением от 2.5 МПа. Полная остановка движения разрушила бы структуру материи, так как химические связи и электронные оболочки атомов держатся на этом квантовом фундаменте.

Почему абсолютный ноль недостижим

Предельный характер абсолютного нуля описывает третье начало термодинамики. Согласно тепловой теореме Нернста, при стремлении температуры к абсолютному нулю изменение энтропии в жидкостях и твёрдых телах также стремится к нулю. Макс Планк дополнил это правило: при 0 К энтропия идеального чистого кристалла падает до универсальной константы, которую принимают за ноль. На микроуровне это означает, что кристалл переходит в единственное основное квантовое состояние.

Главный практический вывод из этих законов — систему невозможно охладить до абсолютного нуля за конечное время или конечное число шагов. Чтобы забрать тепло у объекта, нужен ещё более холодный резервуар. На финальных этапах охлаждения эффективность процесса падает до нуля.

В 2017 году физики математически доказали этот принцип недостижимости. Они разработали модель квантовой тепловой машины и выяснили, что для достижения точной точки 0 К потребовалось бы совершить бесконечное количество работы или использовать резервуар бесконечного объёма. Это делает абсолютный ноль идеальным асимптотическим пределом.

Климатическое оружие США: миф или угроза для человечества?

Эволюция заморозки

В начале XX века главным технологическим прорывом стало сжижение газов. В 1908 году Хейке Камерлинг-Оннес впервые получил жидкий гелий-4 с температурой кипения 4.2 К. Это открыло физикам доступ к неисследованному диапазону температур.

В 1911 году Камерлинг-Оннес измерял сопротивление ртути в жидком гелии. При охлаждении ниже 4.15 К электрическое сопротивление ртути мгновенно и скачкообразно исчезло. В лабораторном журнале появилась запись: «Kwik nagenoeg nul» («Сопротивление ртути практически нулевое»). Так учёные открыли явление сверхпроводимости.

Спустя десятилетия физики придумали способ охлаждать атомы с помощью света. Идею лазерного охлаждения предложил советский физик В. С. Летохов в 1968 году. За развитие этого метода Стивен Чу, Уильям Филлипс и Клод Коэн-Таннуджи получили Нобелевскую премию в 1997 году. Эта технология состоит из двух основных этапов:

• Доплеровское охлаждение. Навстречу летящим атомам направляют лазерные лучи. Из-за эффекта Доплера атомы поглощают встречные фотоны и получают импульс отдачи, который тормозит их движение. Свет буквально вязнет вокруг частиц, создавая эффект «оптической патоки». Этот метод имеет предел охлаждения — около 240 микрокельвинов для натрия.
• Сизифово охлаждение. Чтобы преодолеть доплеровский барьер, используют лазерные лучи со сложной поляризацией. Атомы постоянно «взбираются» на энергетические холмы светового поля, теряя кинетическую энергию, подобно Сизифу. Это позволяет понизить температуру до 0,18 микрокельвинов, замедлив атомы до скорости 2 см/сек.

Для перехода от микрокельвинов к нанокельвинам применяют испарительное охлаждение (Нобелевская премия 2001 года). Охлаждённое облако атомов запирают в магнитную ловушку. Затем с помощью радиоволн учёные выкидывают из ловушки самые быстрые («горячие») атомы. Оставшиеся сталкиваются, перераспределяют энергию и остывают до единиц нанокельвинов. Далее процесс повторяют.

Лаборатории на грани нуля

При охлаждении до сверхнизких температур на Земле главной проблемой становится гравитация. Охлаждённые атомы просто падают вниз под действием силы тяжести и покидают область действия лазеров за миллисекунды. Для решения этой задачи эксперименты перенесли в условия невесомости.

Лаборатория Cold Atom Lab (CAL) работает на МКС с 2018 года. Это прибор размером с мини-холодильник, который управляется с Земли. CAL создаёт ультрахолодные газы из изотопов рубидия-87 и калия-39/41. В невесомости магнитные ловушки можно ослабить, позволяя облаку атомов медленно расширяться без падения. Это даёт время наблюдения до 10 секунд и позволяет достичь температур ниже 100 пикокельвинов. В 2020 и 2021 годах астронавты успешно модернизировали установку прямо на орбите.

Абсолютный мировой рекорд установила группа QUANTUS в Германии в 2018 году. Учёные сбросили капсулу с установкой в башне Бремена с высоты 110 метров.

• За 4.74 секунды свободного падения они создали конденсат из 100 000 атомов рубидия-87.
• Учёные использовали магнитную линзу (метод дельта-кик коллимации), чтобы остановить расширение атомного облака.
• В результате эффективная кинетическая температура упала до 38 пикокельвинов (38 триллионных долей градуса).

Отрицательные температуры по Кельвину

Иногда в медиа появляются новости о том, что физики «опустились ниже абсолютного нуля». В классической физике это невозможно, так как тепловое движение не может иметь отрицательную скорость. Однако в статистической термодинамике температура связана с изменением энтропии при росте энергии. Обычно при добавлении энергии хаос (энтропия) растёт, что даёт положительную температуру.

В специальных системах, например в оптических решётках, есть жёстко ограниченный верхний предел энергии. Если накачивать такую систему энергией, частицы начнут группироваться у верхнего предела. Хаос начнёт уменьшаться, то есть энтропия пойдёт на спад при росте энергии. Математически это выражается как отрицательная абсолютная температура по Кельвину.

Парадокс заключается в том, что система с отрицательной температурой физически горячее любой системы с положительной температурой. При контакте она агрессивно отдаёт свою энергию обычным объектам. В 2013 году физики из Мюнхена успешно создали такое состояние на базе атомов калия-40. Эта среда создаёт отрицательное давление, защищающее газ от коллапса, и теоретически позволяет создавать тепловые машины с эффективностью выше единицы.

Зачем нужен сверххолод

Технологии ультранизких температур лежат в основе квантовых устройств нового поколения.

• Конденсат Бозе — Эйнштейна. При охлаждении до нанокельвинов длина волны атомов увеличивается. Волновые функции перекрываются, и миллионы частиц сливаются в единую квантовую волну. Это позволяет наблюдать квантовые эффекты на макроуровне.
• Квантовые компьютеры. Сверхпроводниковые процессоры требуют непрерывного охлаждения. Температура должна быть предельно низкой, чтобы подавить тепловой шум, который разрушает квантовую запутанность и вызывает ошибки в вычислениях.
• Сверхточные часы. Охлаждённые лазерами атомы стронция или цезия движутся крайне медленно. Это устраняет доплеровское искажение сигнала и позволяет создать часы с погрешностью менее секунды за миллиарды лет. Они нужны для работы спутниковой навигации и космической связи.
• Атомная интерферометрия. Холодные атомные облака служат лучшими гравиметрами. Они регистрируют малейшие изменения силы тяжести, помогая искать полезные ископаемые, подземные пустоты и отслеживать изменение климата.

В итоге

Абсолютный ноль — это не тупик для науки, а идеальный горизонт, к которому можно стремиться бесконечно. Попытки обмануть физику и приблизиться к квантовой тишине спровоцировали невероятный технологический скачок. Укрощение атомов светом и магнитами дало нам квантовые компьютеры, атомные часы и инструменты, позволяющие заглянуть в самые глубокие тайны устройства Вселенной. Подписывайтесь на Рамблер в Max! Так мы останемся на связи даже в нестабильные времена.

Гениальный обман или научный прорыв: как одиночный атом сняли на камеру