Низкие температуры способны превратить облако газа в один большой атом

TJНаука

От сверхтекучести — к жидкому свету: как на пути к абсолютному нулю учёные открыли необычные состояния материи

Экстремально низкие температуры способны превратить облако газа в один большой атом и перенести квантовые эффекты в повседневную реальность.

Никита Логинов

1280
Левитация сверхпроводника над магнитом. Фото Рочестерского университета

В конце августа немецкие физики создали самое холодное место во Вселенной, охладив атомы рубидия до −273,149999999962 °C. Это всего на 38 триллионных долей градуса выше абсолютного нуля — минимальной теоретически возможной температуры, которую на практике получить нельзя.

  • −273,15 °C — точное значение абсолютного нуля температуры в градусах Цельсия — соответственно, в кельвинах это 0 К
  • −272 °C — температура самого холодного природного объекта — туманности Бумеранг в пяти тысячах световых годах от Земли
  • −270,425 °C — средняя температура Вселенной

TJ попытался разобраться, почему нельзя достичь абсолютного нуля и как в попытках приблизиться к недостижимому физики узнали много необычного об устройстве материи.

Что такое абсолютный нуль температуры

В общем смысле температуру понимают как меру движения частиц. Чем быстрее движутся или колеблются частицы — тем горячее вещество. Соответственно, в холодных газах, жидкостях и телах частицы медленно движутся и слабо колеблются, а при абсолютном нуле частицы должны становиться абсолютно неподвижными.

Однако законы микромира не позволяют частицам становиться абсолютно неподвижными. У любой частицы есть некоторое количество энергии, которую невозможно отнять — так называемая нулевая энергия или энергия нулевых колебаний. Она не даёт частице «успокоиться» полностью и заставляет её колебаться при любых условиях.

Частицы не могут перестать колебаться, потому что любая материальная частица — это и есть колебания квантовых полей, заполняющих всё пространство. Эти колебания невозможно остановить — даже в глубоком вакууме квантовые поля покрыты «рябью» в виде частиц, которые постоянно появляются и тут же исчезают. Эта квантовая «рябь» — основа физической реальности, источник всех форм материи.

Квантовые колебания всегда будут обеспечивать некую ничтожную долю градуса температуры. Поэтому абсолютный нуль — это скорее идея, чем реальное состояние материи. Но ещё задолго до абсолютного нуля материя начинает проявлять экзотические свойства вроде сверхтекучести, сверхпроводимости и способности превращаться в большие «квантовые сгустки».

1280
Примерно так выглядит вакуум с точки зрения квантовой теории поля — бесконечные колебания энергии. Изображение Wikimedia

Жидкости, которые нельзя удержать в стакане

В 1937 году физики Пётр Капица и Джон Аллен обнаружили, что жидкий гелий-4 при температуре ниже −271,17 °C начинает странно себя вести, будто обходя законы природы. Например, выливается из открытого сосуда, взбираясь по его стенкам и переливаясь через края. Или протекает сквозь твёрдые материалы вроде керамики через микроскопические поры. Это явление называют сверхтекучестью — жидкость становится «совершенно жидкой» и начинает течь без трения и вязкости.

Ещё более странно сверхтекучая жидкость реагирует на вращение сосуда, в котором она находится. Если начать вращать сосуд с обычной жидкостью, плавно увеличивая обороты, то она начнёт вращаться примерно с той же скоростью, так же плавно ускоряясь. Но сверхтекучая жидкость сначала останется неподвижной, а когда обороты сосуда достигнут некоторого критического значения — в ней у самой стенки сосуда появится квантовый вихрь, что-то вроде микроскопического водоворота.

1280
Реакция твёрдого тела, сверхтекучей и обычной жидкости на вращение сосуда. Изображение Лондонского университета

После этого сверхтекучая жидкость снова будет игнорировать рост оборотов сосуда, пока он не достигнет следующего критического значения — тогда в жидкости появится второй квантовый вихрь. Так по мере ускорения вращения сосуда в сверхтекучей жидкости будет скачкообразно расти число вихрей, образующих симметричный рисунок. На микроуровне этот процесс сопровождается сложным движением частиц — они соединяются в разветвлённые нити, распадаются и соединяются снова.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Сколько зарабатывали русские художники Сколько зарабатывали русские художники

Что можно было купить на гонорар за выдающиеся картины?

Arzamas
Дно, Йолдыз и Ыгыатта: 5 необычных направления для путешествий России Дно, Йолдыз и Ыгыатта: 5 необычных направления для путешествий России

География России с непривычной точки зрения

Playboy
Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие

Двадцать разных способов мастурбации на любой вкус и цвет

Cosmopolitan
Не Настя, а Амина: Решетова и другие звезды, которые сменили имена Не Настя, а Амина: Решетова и другие звезды, которые сменили имена

10 примеров, когда знаменитости меняли имена

Cosmopolitan
Опять двойка Опять двойка

Как «заставить» ребенка учиться, объясняет психолог Марина Мелия

Tatler
Я бы в блогеры пошел… Я бы в блогеры пошел…

Как выстроить отношения с юным блогером, который живет в соседней комнате?

Psychologies
Крафтовая революция. Кто такие биргики и как они меняют культуру потребления в России Крафтовая революция. Кто такие биргики и как они меняют культуру потребления в России

Как возникла и развивается культура биргиков в России?

СНОБ
Я чувствовала себя как в клетке Я чувствовала себя как в клетке

История о том, как воля к победе творит чудеса

ПУСК
Denis Villeneuve Denis Villeneuve

Дени Вильнёв отвечает на самые важные вопросы о новой картине

Elle
Меняющие реальность Меняющие реальность

Bvlgari переворачивают наши представления о реальности

Grazia
«Включай мозги!»: почему мы помним своих учителей? «Включай мозги!»: почему мы помним своих учителей?

Наши герои делятся историями о педагогах, которые запомнились им на всю жизнь

Psychologies
Чтение на 15 минут: «Танцтеатр Пины Бауш: искусство перевода» Чтение на 15 минут: «Танцтеатр Пины Бауш: искусство перевода»

Как Пина Бауш создала свой Танцтеатр?

Arzamas
Вкусная осень Вкусная осень

В топе самых полезных осенних фруктов – гранат, хурма и грейпфрут!

Добрые советы
Фонды чемпионов Фонды чемпионов

Сколько платят боксерам, бойцам ММА и поп-ММА в России и за ее пределами

Forbes
84 миллиона лет назад Земля опрокинулась набок из-за смещения полюсов 84 миллиона лет назад Земля опрокинулась набок из-за смещения полюсов

А потом за пять миллионов лет вернулась в прежнее положение.

National Geographic
«Война в Карабахе — это только часть большого противостояния между Россией и Турцией» «Война в Карабахе — это только часть большого противостояния между Россией и Турцией»

Война нужна Эрдогану чтобы создавать проблемы для России и затем торговаться

Эксперт
Как взять солнце и поделить Как взять солнце и поделить

Рынок возобновляемой энергетики в России постепенно развивается

Эксперт
Тише! Вы же в библиотеке! Тише! Вы же в библиотеке!

Наталья Османн рассказывает о том, почему важно читать классику

Elle
«Что мне помогло победить панические атаки» «Что мне помогло победить панические атаки»

Наша героиня сумела добиться результатов в борьбе с паническими атаками

Psychologies
Из центра Галактики исходит странный сигнал, который включается и выключается случайным образом Из центра Галактики исходит странный сигнал, который включается и выключается случайным образом

Астрономы обнаружили сигналы, исходящие со стороны центра Млечного Пути

National Geographic
За пригоршню «спасибо» За пригоршню «спасибо»

Ты замечал, что бесплатно кому-то помочь бывает приятнее, чем за деньги?

Maxim
Мусульмане, горожане и жители крайнего севера: зачем ориентировать бизнес на метарегионы Мусульмане, горожане и жители крайнего севера: зачем ориентировать бизнес на метарегионы

Ориентация на метарегионы может дать больше, чем ориентация на страны

Inc.
Мадонна рассказала об идеальном мужчине для секса и о мастурбации на сцене Мадонна рассказала об идеальном мужчине для секса и о мастурбации на сцене

Мадонна — о любовнике мечты, провокациях на сцене и интимных фотографиях

Maxim
Переселение взрослых особей оказалось лучшим способом вернуть орлов на Мальорку Переселение взрослых особей оказалось лучшим способом вернуть орлов на Мальорку

Для восстановления популяций хищных птиц лучше перевозить взрослых особей

N+1
Вторичный рынок Jeep Renegade. Итальянский внук американского дедушки Вторичный рынок Jeep Renegade. Итальянский внук американского дедушки

Jeep Renegade — отличное сочетание озорной внешности и отличной динамики

4x4 Club
Как быстро похудеть к важной дате: варианты диеты на несколько дней Как быстро похудеть к важной дате: варианты диеты на несколько дней

Если нужно прийти в форму быстро, на помощь придет диета на несколько дней

Cosmopolitan
Теплое местечко Теплое местечко

Электрические и водяные полы, что это – блажь или умное вложение?

Лиза
Как топ-менеджер платежного сервиса последовала примеру Amazon и заработала $555 млн Как топ-менеджер платежного сервиса последовала примеру Amazon и заработала $555 млн

Как Алиса Генри вошла в рейтинг богатейших self-made женщин Америки

Forbes
12 душераздирающих ДТП с участием российских звезд 12 душераздирающих ДТП с участием российских звезд

Громкие аварии с участием российских звезд

Cosmopolitan
Человек-оркестр Человек-оркестр

Монозадачность – это не врожденное качество, а тонкое искусство

Лиза
Открыть в приложении