Абсолютний нуль — це найнижча теоретична температура, яку вчені визначили як мінус 459,67 градуса за Фаренгейтом (мінус 273,15 градуса за Цельсієм). Це навіть холодніше, ніж у космосі. Наразі нічого з того, що ми знаємо, не досягло абсолютного нуля. Але чи взагалі можливо досягти цієї жахливої віхи?
Щоб відповісти на це питання, давайте розглянемо, що насправді таке температура. Ми схильні думати про температуру як про те, наскільки щось гаряче або холодне, але насправді це міра енергії або коливань усіх частинок у системі. Гарячі предмети мають більше енергії, тому їх частинки можуть вібрувати швидше. Точка, в якій частинки взагалі не мають енергії — і, отже, перестають рухатися, — це те, що визначається як абсолютний нуль.
Вчені зацікавлені в досягненні таких низьких температур, тому що при сповільненні частинок виникає чимало цікавих квантових ефектів. Фундаментальним принципом у квантовій механіці є частково-хвильовий дуалізм — явище, за якого така частинка, як фотон світла, може поводитися або як частинка, або як хвиля, сказав Санкалпа Гош, фізик-теоретик конденсованих речовин з Індійського технологічного інституту в Делі.
Маючи справу з квантово-механічними частинками, важливо пам’ятати про їх «нерозрізнення» — «неможливо відстежувати частинки чи хвилі окремо, як ми можемо з більшими об’єктами», — сказав Гош в електронному листі Live Science. «Походження цього можна простежити до відомого принципу невизначеності Гейзенберга, який кількісно визначає ймовірнісний характер квантово-механічного вимірювання [це означає, що коли положення частинки точно виміряно, її імпульс менш точно відомий, і навпаки]. Ця ймовірнісна природа надає хвилеподібний характер квантовомеханічній частинці».
Ступінь цієї квантової хвилеподібної поведінки виражається співвідношенням відстаней між частинками в системі, відомим як теплова довжина хвилі де Бройля. При нормальних температурах ця квантова поведінка незначна, але дивні ефекти починають проявлятися, коли частинки охолоджуються.
«[Це співвідношення] стає більшим зі зниженням температури, і при абсолютному нулі воно фактично дорівнює нескінченності», — сказав Гош. «Завдяки цьому відбуваються такі квантові явища, як надтекучість (потік без тертя), надпровідність (струм протікає без будь-якого опору) і ультрахолодна атомна конденсація».
Ранні експерименти з ультрахолодом у 1990-х роках використовували техніку, відому як лазерне охолодження, щоб розпочати дослідження цих ефектів. «Світло чинить на атоми силу, яка сповільнює їх охолодження до досить низьких температур, близько 1 кельвіна (мінус 272,15 C або мінус 457,87 F), — сказав Крістофер Фут, фізик ультрахолоду з Оксфордського університету. «[Це досить мало], щоб побачити квантову поведінку твердих тіл і рідин, але для газів, які ми вивчаємо, нам потрібні 10 с нано-кельвінових температур, щоб отримати ці квантові ефекти».
Найнижча температура, коли-небудь зареєстрована в лабораторії, була досягнута групою в Німеччині у 2021 році. Команда скинула намагнічені атоми газу на вежу висотою 400 футів (120 метрів), постійно вмикаючи та вимикаючи магнітне поле, щоб уповільнити частинки майже до повної зупинки. У цьому типі експерименту, відомому як охолодження магнітною пасткою, газоподібні частинки досягли неймовірної температури 38 пікокельвінів — 38 трильйонних градусів за Цельсієм вище абсолютного нуля, що цілком у межах діапазону, щоб почати спостереження квантових ефектів у газах.
Але чи є сенс намагатися ще більше охолодити матеріали? Напевно, ні, за словами Фута. «Нас набагато більше цікавлять ці квантові ефекти, ніж досягнення абсолютного нуля», — сказав він. «Атоми з лазерним охолодженням уже використовуються в атомних стандартах, які визначають універсальний час (атомний годинник), і у квантових комп’ютерах. Робота з нижчими температурами все ще знаходиться на стадії дослідження, і люди використовують ці методи для перевірки універсальних фізичних теорій».
Наразі неможливо охолодити останні 38 трильйонного градуса — і для того, щоб це стало реальністю, потрібно подолати кілька перешкод. Насправді навіть якби ми досягли абсолютного нуля, ми могли б повністю його пропустити через неточні методи вимірювання.
«З нинішніми інструментами ви не можете визначити, чи це нуль, чи просто дуже, дуже маленьке число», — сказав Фут. «Щоб виміряти абсолютний нуль, вам насправді знадобиться нескінченно точний термометр, а це поза межами наших поточних вимірювальних систем».