Самая низкая температура во вселенной: Температура Вселенной – Статьи на сайте Четыре глаза

Самые низкие температуры на Земле и во Вселенной

Самая низкая в принципе

ГДЕ Нигде. В природе такое не встречается

СКОЛЬКО –273,15 °С, или 0 К (градусов Кельвина)

[pullquote align=»right»][note note_color=»#dcdcdc» text_color=»#000000″ radius=»0″]

Уильям Томсон, лорд Кельвин Британский физик, специалист в области термодинамики, электродинамики и механики. В его честь названа одна из семи единиц измерения Международной системы — единица термодинамической температуры Кельвин.[/note][/pullquote]

Однажды лорд Кельвин обозвал нерасторопного дворецкого абсолютным нулём. Так появился термин. Шутка. Более того, совсем не этот учёный первым определил самую низкую температуру.

Ещё в начале XVIII века об «абсолютном холоде» задумался французский физик Гийом Амонтон. Он обнаружил, что воздух при нагреве от 0 °С (точка замерзания воды) до 100 (кипение) увеличивает давление примерно на треть. Учёный задумался: насколько нужно охладить воздух, чтобы давление исчезло, то есть воздух превратился в твёрдое вещество? И получил –293 °С. Спустя полтора столетия британский физик Уильям Томпсон (тогда ещё не удостоенный титула лорда Кельвина), исходя из похожих соображений, рассчитал почти точное значение абсолютного нуля. Впоследствии Кельвин построил свою шкалу, отталкиваясь от этой точки.

В реальности абсолютный ноль не существует. Почему? Температуру тела создаёт движение атомов, а значит, при –273,15 °С все они должны находиться в полном покое. Но это невозможно из-за квантовых эффектов, так называемых нулевых колебаний, которые есть даже у вакуума.

Самая низкая в природе

ГДЕ Туманность Бумеранг, которая находится на расстоянии 5 тысяч световых лет от Земли

СКОЛЬКО 1 К (–272 °С)

Где же попытаться найти наименьшую температуру? Наверное, там, где нет никаких источников тепла — например, в открытом космосе вдали от галактик? Увы, мы потерпим неудачу, ибо даже космическое захолустье нагрето на несколько градусов, а именно до 2,725 К, за счёт реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва.

Но, оказывается, в космосе может быть что-то холоднее пустоты. В 1995 году астрономы Европейской южной обсерватории, расположенной в Чили, рассчитали, что звёздный газ в туманности Бумеранг извергается со скоростью в 600 тыс. км/ч. Такой «быстрый» газ охлаждается до 1К за счёт адиабатического процесса, суть которого в том, что если газ очень быстро расширяется, то он одновременно и охлаждается, потому что его внутренняя тепловая энергия расходуется — например, как в случае с туманностью, на увеличение газовой оболочки. Этот принцип лежит в основе работы большинства холодильников.

Самая низкая в Солнечной системе

ГДЕ Луна

СКОЛЬКО –240 °С

Казалось бы, чем дальше от Солнца, тем холоднее, и в некоторой степени это верно. В тройку самых холодных мест входят спутник Нептуна Тритон (не выше –237,6 °С), Плутон (–230 °С) и, неожиданно, — Луна.

Почему так холодно на Тритоне, понятно: как-никак 4,5 миллиарда километров от Солнца. Плутон холоднее, чем должен быть, из-за того, что азотный лёд на его поверхности тает при приближении планеты к Солнцу и вновь образуется при удалении. В результате поверхность охлаждается подобно телу потеющего человека. Луна же стала рекордсменкой за счёт глубоких кратеров, дна которых не достигает солнечный свет. Притом что её поверхность может разогреваться более чем до 100 °С.

Надо заметить, в Солнечной системе ещё много, очень много неисследованных тел, и, вполне возможно, какие-то объекты из Облака Оорта или пояса Койпера могут подвинуть Луну с пьедестала.

Самая низкая из созданных человеком

ГДЕ Лаборатория низких температур, Хельсинкский технологический университет

СКОЛЬКО 50 пикокельвин (0,000 000 000 05 К)

Многие материалы проявляют удивительные свойства при сверхнизких температурах. Например, металлы становятся сверхпроводящими, жидкости и сконденсированные газы — сверхтекучими. При температуре около абсолютного нуля существует конденсат Бозе — Эйнштейна, состояние вещества, при котором все атомы приобретают один и тот же энергетический уровень и становятся неотличимы друг от друга.

Весной этого года физик Марк Касевич и его коллеги из Стэнфордского университета смогли охладить конденсат из 100 тысяч атомов рубидия до температуры около 50 пикокельвин, говорится в статье, опубликованной в Physical Review Letters. Таких показателей удалось достигнуть с помощью специального лазера, подавлявшего движение атомов.

Самая низкая на Земле

ГДЕ Станция «Восток», Антарктида

СКОЛЬКО –89,2 °С

Восток — дело не только тонкое, но и очень холодное, если речь идёт об антарктической станции. Температурный рекорд –89,2 °С, зафиксированный советскими метеорологами в 1983 году, сейчас пытаются оспорить. Например, недавно сообщалось, что рядом с японской полярной станцией «Купол Фудзи» было на два градуса холоднее. Однако измерение проводилось с помощью спутника, а он считывает только температуру поверхности, а не воздуха.

За право считаться полюсом холода в Северном полушарии борются два населённых пункта в Якутии: город Верхоянск и село Оймякон (на самом деле правильнее говорить о местности Оймякон, ибо наблюдения ведутся в 40 километрах от села). Похоже, что в Верхоянске рекордная температура всё же немного ниже и составляет –67,8 °С.

Впрочем, защитники Оймякона не сдаются и не только пытаются подвинуть соседей-соперников, но и посягают на общемировой рекорд. Станция «Восток», справедливо замечают они, находится на высоте более трёх километров над уровнем моря, а Оймякон — 700 метров, и если привести их к одному уровню, Оймякон будет самым холодным местом на планете. В этих рассуждениях, правда, забывается Верхоянск, находящийся чуть более чем в сотне метрах над уровнем моря.

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера»

учёные побили рекорд самой низкой температуры, достигнутой в лабораторных условиях

Самое холодное место во Вселенной | Наука

Блестящая идея: Вольфганг Кеттерле (в своей лаборатории Массачусетского технологического института) надеется открыть новые формы материи, изучая ультрахолодные атомы.
Ричард Ховард

Где находится самое холодное место во Вселенной? Только не на Луне, где температура опускается всего до минус 378 градусов по Фаренгейту. Даже в самом глубоком космосе, фоновая температура которого оценивается примерно в минус 455°F. Насколько могут судить ученые, самые низкие из когда-либо достигнутых температур наблюдались совсем недавно именно здесь, на Земле.

Рекордно низкие температуры были одним из последних достижений ультрахолодной физики, лабораторного исследования материи при температурах настолько умопомрачительно низких, что атомы и даже свет ведут себя весьма необычным образом. Электрическое сопротивление в некоторых элементах исчезает ниже примерно минус 440°F, явление, называемое сверхпроводимостью. При еще более низких температурах некоторые сжиженные газы становятся «сверхтекучими», способными просачиваться сквозь стенки, достаточно твердые, чтобы удерживать любую другую жидкость; они даже, кажется, бросают вызов гравитации, когда они ползут вверх, над своими контейнерами и из них.

Физики признают, что они никогда не смогут достичь самой низкой мыслимой температуры, известной как абсолютный ноль и давно рассчитанной как минус 459,67°F. Для физиков температура — это мера скорости движения атомов, отражение их энергии, а абсолютный ноль — это точка, в которой абсолютно не остается тепловой энергии, которую можно было бы извлечь из вещества.

Но несколько физиков намерены максимально приблизиться к этому теоретическому пределу, и именно для того, чтобы получить лучшее представление об этом самом редком соревновании, я посетил лабораторию Вольфганга Кеттерле в Массачусетском технологическом институте в Кембридже. В настоящее время он является рекордсменом — по крайней мере, согласно Книга рекордов Гиннеса 2008 — самая низкая температура: 810 триллионных долей градуса по Фаренгейту выше абсолютного нуля. Кеттерле и его коллеги совершили этот подвиг в 2003 году, работая с облаком молекул натрия диаметром около тысячной дюйма, захваченных магнитами.

Я прошу Кеттерле показать мне место, где был установлен рекорд. Мы надеваем очки, чтобы защитить себя от ослепления инфракрасным излучением лазерных лучей, которые используются для замедления и тем самым охлаждения быстро движущихся атомных частиц. Мы пересекаем холл из его солнечного кабинета в темную комнату с нагромождением связанных между собой проводов, маленьких зеркал, вакуумных ламп, лазерных источников и мощного компьютерного оборудования. «Прямо здесь», — говорит он, его голос становится громче от волнения, когда он указывает на черный ящик, к которому ведет обернутая алюминиевой фольгой трубка. «Здесь мы сделали самую низкую температуру».

Достижение Кеттерле стало результатом его поисков совершенно новой формы материи, называемой конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК). Конденсаты не являются стандартными газами, жидкостями или даже твердыми телами. Они образуются, когда облако атомов — иногда миллионы и более — входят в одно и то же квантовое состояние и ведут себя как единое целое. Альберт Эйнштейн и индийский физик Сатьендра Бозе в 1925 году предсказали, что ученые смогут создать такую ​​материю, подвергая атомы воздействию температур, приближающихся к абсолютному нулю. Семьдесят лет спустя Кеттерле, работавший в Массачусетском технологическом институте, и почти одновременно Карл Виман, работавший в Университете Колорадо в Боулдере, и Эрик Корнелл из Национального института стандартов и технологий в Боулдере создали первые конденсаты Бозе-Эйнштейна. Все трое сразу же получили Нобелевскую премию. Команда Кеттерле использует БЭК для изучения основных свойств материи, таких как сжимаемость, и лучшего понимания странных низкотемпературных явлений, таких как сверхтекучесть. В конечном счете, Кеттерле, как и многие физики, надеется открыть новые формы материи, которые могли бы действовать как сверхпроводники при комнатной температуре, что произвело бы революцию в том, как люди используют энергию. Для большинства лауреатов Нобелевской премии эта награда завершает долгую карьеру. Но для Кеттерле, которому было 44 года, когда он получил свою награду, создание BEC открыло новую область, которую он и его коллеги будут исследовать десятилетиями.

Еще один претендент на самое холодное место находится в Кембридже, в лаборатории Лене Вестергаард Хау в Гарварде. Ее личный рекорд составляет несколько миллионных долей градуса Фаренгейта выше абсолютного нуля, что близко к показателю Кеттерле, которого она тоже достигла, создавая БЭК. «Теперь мы делаем BEC каждый день», — говорит она, когда мы спускаемся по лестнице в лабораторию, битком набитую оборудованием. Платформа размером с бильярдный стол в центре комнаты выглядит как лабиринт, построенный из крошечных овальных зеркал и лазерных лучей толщиной с карандаш. Используя BEC, Хау и ее коллеги сделали то, что может показаться невозможным: они замедлили свет практически до полной остановки.

Скорость света, как мы все слышали, постоянна: 186 171 миля в секунду в вакууме. Но в реальном мире, вне вакуума, все иначе; например, свет не только изгибается, но и немного замедляется, когда проходит через стекло или воду. Тем не менее, это ничто по сравнению с тем, что происходит, когда Хау направляет лазерный луч света на BEC: это все равно, что бросать бейсбольный мяч в подушку. «Во-первых, мы снизили скорость до скорости велосипеда, — говорит Хау. «Теперь он ползет, и мы действительно можем его остановить — держим свет полностью внутри BEC, смотрим на него, играем с ним, а затем отпускаем, когда будем готовы».

Она может управлять светом таким образом, потому что плотность и температура БЭК замедляют световые импульсы. (Недавно она пошла еще дальше в экспериментах, остановив импульс в одном БЭК, преобразовав его в электрическую энергию, передав его другому БЭК, затем отпустив его и снова отправив в путь.) Хау использует БЭК, чтобы больше узнать о природе. света и как использовать «медленный свет», то есть свет, заключенный в BEC, для повышения скорости обработки компьютеров и предоставления новых способов хранения информации.

Не все исследования ультрахолода проводятся с использованием БЭК. В Финляндии, например, физик Юха Туориниеми магнитно манипулирует ядрами атомов родия, чтобы достичь температуры в 180 триллионных долей градуса Фаренгейта выше абсолютного нуля. (Несмотря на рекорд Гиннесса, многие эксперты считают, что Туориниеми достиг даже более низких температур, чем Кеттерле, но это зависит от того, измеряете ли вы группу атомов, например, БЭК, или только части атомов, например ядра.)

Может показаться, что стоит попытаться достичь абсолютного нуля, но Кеттерле говорит, что знает лучше. «Мы не пытаемся, — говорит он. «Там, где мы находимся, достаточно холодно для наших экспериментов». Это просто не стоит усилий, не говоря уже о том, что, согласно физикам, понимающим теплоту и законы термодинамики, это невозможно. «Чтобы высосать всю энергию, каждую ее частичку, и достичь нулевой энергии и абсолютного нуля — для этого потребовался бы возраст Вселенной».

Том Шахтман — автор книги «Абсолютный ноль и покорение холода », которая легла в основу будущего документального фильма PBS «Nova».

Рекомендуемые видео

Ученые только что побили рекорд самой низкой температуры, когда-либо зарегистрированной в лаборатории

Исследователи подошли ближе, чем когда-либо прежде, к достижению абсолютного нуля
(Изображение предоставлено Shutterstock)

Ученые только что побили рекорд самой низкой температуры, когда-либо измеренной в лаборатории: они достигли леденящей кровь температуры в 38 триллионных долей градуса выше -273,15 по Цельсию, сбрасывая намагниченный газ 393 фута (120 метров) вниз по башне.

Группа немецких исследователей исследовала квантовые свойства так называемого пятого состояния вещества: конденсата Бозе-Эйнштейна (БЭК), производного газа, существующего только в сверххолодных условиях. В фазе БЭК сама материя начинает вести себя как один большой атом, что делает ее особенно привлекательной для квантовых физиков, интересующихся механикой субатомных частиц.

Связанные:   10 научных рекордов, побитых в 2020 году

Температура — это мера молекулярной вибрации: чем больше движется набор молекул, тем выше общая температура. Таким образом, абсолютный ноль — это точка, в которой останавливается все молекулярное движение — минус 459,67 градусов по Фаренгейту или минус 273,15 градусов по Цельсию. Ученые даже разработали специальную шкалу для экстремально низких температур, называемую шкалой Кельвина, где ноль Кельвина соответствует абсолютному нулю. .

Около абсолютного нуля начинают происходить странные вещи. Например, свет становится жидкостью, которую можно буквально налить в сосуд, согласно исследованию, опубликованному в 2017 году в журнале Nature Physics . Переохлажденный гелий перестает испытывать трение при очень низких температурах, согласно исследованию, опубликованному в 2017 году в журнале Nature Communications . А в Лаборатории холодного атома НАСА исследователи даже стали свидетелями существования атомов в двух местах одновременно.

В ходе этого рекордного эксперимента ученые захватили облако из примерно 100 000 газообразных атомов рубидия в магнитном поле внутри вакуумной камеры. Затем они охладили камеру до температуры около 2 миллиардных долей градуса Цельсия выше абсолютного нуля, что само по себе было бы мировым рекордом, согласно NewAtlas .

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Но этого было недостаточно для исследователей, которые хотели раздвинуть границы физики; чтобы стать еще холоднее, им нужно было имитировать условия дальнего космоса. Поэтому команда отправилась со своей установкой в ​​Бременскую башню Европейского космического агентства, исследовательский центр микрогравитации в Бременском университете в Германии. Опустив вакуумную камеру в свободное падение, одновременно быстро включая и выключая магнитное поле, позволяя БЭК плавать, не сдерживаемый гравитацией, они замедлили молекулярное движение атомов рубидия почти до нуля. Полученный в результате БЭК оставался на уровне 38 пикокельвинов — 38 триллионных долей Кельвина — в течение примерно 2 секунд, установив «абсолютный минус-рекорд», сообщила команда 30 августа в журнале 9.0039 Письма о физическом обзоре . Предыдущий рекорд в 36 миллионных долей Кельвина был достигнут учеными из Национального института стандартов и технологий (NIST) в Боулдере, штат Колорадо, с помощью специализированных лазеров.

Самым холодным из известных природных мест во Вселенной является Туманность Бумеранг , которая находится в созвездии Центавра, примерно в 5000 световых лет от Земли. Его средняя температура составляет -272 C (около 1 Кельвина) по данным Европейского космического агентства . ]

Исследователи нового исследования заявили в своем заявлении, что теоретически они могут поддерживать эту температуру в течение 17 секунд в действительно невесомых условиях, например, в космосе. По словам исследователей из Массачусетского технологического института , сверхнизкие температуры могут однажды помочь ученым построить более совершенные квантовые компьютеры.

Первоначально опубликовано на Live Science.

Джоанна Томпсон — научный журналист и бегунья из Нью-Йорка.