Абсолютный ноль: зачем он так нужен ученым?

Температура имеет тенденцию быть относительной: воздух ниже нуля, температура выше нормы. Но ученые исследуют крайние границы спектра того, что называется абсолютной температурой: на верхнем пределе абсолютная температура - это теоретическая печь, в которой законы физики перестают работать. С другой стороны, есть абсолютный ноль.

Атомы, из которых состоит материя, всегда движутся. Температура измеряет кинетическую энергию этих атомов или энергию движения. Чем быстрее они двигаются, тем выше их температура. Абсолютный ноль, тем не менее, - это почти идеальная неподвижность.

Насколько нам известно, ничто во Вселенной или в лаборатории никогда не достигало абсолютного нуля. Даже пространство имеет фоновую температуру 2,7 Кельвина. Абсолютный ноль: -273,15 градусов по Цельсию, или 0 Кельвина.

Материалы различаются в зависимости от того, насколько они холодные, и теория предполагает, что мы никогда не достигнем абсолютного нуля. Но с арсеналом новых инструментов и методов ученые все больше приближаются к достижению этой температуры.

Самое холодное естественное место во Вселенной - туманность Бумеранг. Она находится на расстоянии около 5000 световых лет, эта звездная система всего на 1 Кельвин теплее абсолютного нуля.

Зачем нужен абсолютный ноль

Конденсат Бозе-Эйнштейна (BEC): В 1995 году физики из Колорадского университета в Боулдере обнаружили BEC, пятое состояние материи, которое существует только в пределах абсолютного нуля. При такой низкой температуре отдельные атомы коллапсируют в единое квантовое состояние, где они совместно действуют как единое целое. Открытие BEC открыло новую область науки, в которой физики могут исследовать квантовое поведение.

Квантовые вычисления

Вместо того чтобы полагаться на биты, равные 1 и 0, которые используются обычными компьютерами, квантовые компьютеры используют кубиты для выполнения вычислений. Теоретически, эти машины могут решать проблемы намного быстрее, чем современные компьютеры. Но чтобы работать, их атомы или молекулы должны быть охлаждены до двух сотых градуса выше абсолютного нуля - области, в которой квантовые характеристики не теряются в электрических помехах, которые может создавать тепло.

Изменение свойств

Когда гелий остывает, он становится странным веществом: может скользить без трения через узкие трубки, выдерживать токи на протяжении длительных периодов времени и течь вверх. Ученые описывают это свойство гелия и некоторых других ультрахолодных газов как сверхтекучесть. В последние годы они предположили, что в нейтронных звездах могут существовать сверхтекучие жидкости. Последние также привели к открытию суперсолидов, которые обладают странным свойством течь через себя. Эти материалы позволяют ученым исследовать фундаментальные тайны природы.

Фото: news.science360.gov