Температура, при которой физика ломается

Абсолютный ноль. Минус 273.15 градуса по Цельсию. Температура, при которой останавливается движение атомов.

Теоретически достичь невозможно. Третий закон термодинамики запрещает.

Но учёные подобрались чертовски близко. В 2021 году немецкие физики охладили газ до 38 пикокельвинов. Это 0.000 000 000 038 градуса выше абсолютного нуля.

Тридцать восемь триллионных долей градуса.

Зачем? Потому что при таких температурах материя ведёт себя безумно.

Квантовые эффекты, которые обычно невидимы, становятся макроскопическими. Атомы перестают быть отдельными частицами, сливаются в одно квантовое состояние.

Бозе-эйнштейновский конденсат. Пятое состояние вещества. Не твёрдое, не жидкое, не газ, не плазма. Что-то совершенно иное.

Впервые получили в 1995 году. Нобелевская премия 2001-го. Сейчас создают регулярно, но каждый раз — технологический подвиг.

В конденсате атомы движутся синхронно. Они становятся одной гигантской квантовой частицей. Можно наблюдать квантовую механику невооружённым глазом.

Сверхтекучесть — жидкость течёт без трения. Абсолютно без трения. Налей в стакан — она выползет по стенкам наружу. Сама. Против гравитации.

Звучит как нарушение законов физики? По классической физике — да. Но квантовая механика позволяет.

Жидкий гелий при 2 Кельвинах становится сверхтекучим. Используют для охлаждения магнитов в МРТ, коллайдерах.

Но это ещё не предел странности.

При температурах близких к абсолютному нулю время замедляется. Не метафорически — буквально.

Химические реакции, которые занимают наносекунды, растягиваются на минуты. Можно наблюдать каждый этап молекулярного взаимодействия.

Учёные замораживают молекулы в момент реакции. Изучают переходные состояния, которые обычно невозможно зафиксировать.

Это революция в химии. Понимание механизмов реакций на квантовом уровне.

Ещё применение — квантовые компьютеры. Кубиты работают при температурах близких к абсолютному нулю. Иначе квантовая когерентность разрушается.

Гугл, IBM, Microsoft строят криогенные системы. Охлаждают процессоры до милликельвинов.

Стоимость охлаждения одного чипа — миллионы долларов. Но иначе квантовые вычисления невозможны.

Проблема — изоляция. Малейшее тепло разрушает эффект. Фотон света, космическое излучение, вибрация.

Лаборатории строят в глубоких шахтах. Экранируют от любых внешних воздействий.

Рекорд по холоду установили в космосе. На МКС эксперимент Cold Atom Lab охладил атомы до долей нанокельвина.

В невесомости легче — нет конвекции, атомы не падают. Можно создать более стабильный конденсат.

Но самое интересное — парадоксы.

При абсолютном нуле атомы должны остановиться. Но квантовая механика говорит: не могут. Принцип неопределённости Гейзенберга.

Если точно знаешь положение частицы (она остановлена) — не можешь знать её импульс. Но импульс ноль тоже точное значение.

Противоречие. Поэтому абсолютный ноль недостижим. Всегда остаётся остаточная энергия — нулевые колебания.

Даже в абсолютной пустоте, при абсолютном нуле частицы возникают из ничего и исчезают. Квантовые флуктуации вакуума.

Это доказано. Эффект Казимира — две пластины в вакууме притягиваются из-за квантовых флуктуаций.

Мир на квантовом уровне безумен. И холод позволяет увидеть это безумие.

Практическое применение? Пока ограничено. Но технологии развиваются.

Сверхпроводники при комнатной температуре — святой Грааль физики. Если найдут — энергетика изменится навсегда.

Передача электричества без потерь. Магниты, левитирующие без затрат энергии. Транспорт на магнитной подушке везде.

Пока сверхпроводимость требует жидкого азота или холоднее. Дорого, сложно.

Но прогресс идёт. Недавно нашли материал, сверхпроводящий при -23°C. Это всё ещё холодно, но намного теплее жидкого азота.

Может, через 20 лет сверхпроводники станут обычным делом.

Абсолютный ноль — граница познания. Место, где классическая физика сдаётся, а квантовая показывает чудеса.

Мы научились охлаждать вещество почти до предела. Осталось понять, как использовать это для изменения мира.

Телеграм: t.me/ainewsline

Источник: vk.com

Комментарии: