Абсолютний нуль температури

Коротко

• За третім законом термодинаміки досягти абсолютного нуля за скінченну кількість кроків неможливо, до нього можна лише наближатися.
• Поблизу 0 K ентропія та теплоємність речовини прямують до найменших значень; ідеальний кристал мав би нульову ентропію.
• Навіть за абсолютного нуля частинки зберігають нульові коливання й нульову енергію, як того вимагає квантова механіка.
• У лабораторіях отримано температури в десятки пікокельвінів — мільярдні частки градуса над нулем.

Чи має холод межу? Це питання фізики ставили ще у XVII столітті, і вже на початку XVIII століття з’явилися перші числові оцінки найнижчої можливої температури — абсолютного нуля.

Від Амонтона до Кельвіна

Рік	Хто	Оцінка «нуля»
1665	Роберт Бойль	розмірковує про «першохолод» (primum frigidum)
1703	Гійом Амонтон	близько −240 °C
1779	Йоганн Генріх Ламберт	−270 °C
1848	Вільям Томсон (лорд Кельвін)	≈ −273 °C, абсолютна шкала температур

Шкалу Кельвіна до Міжнародної системи одиниць включили 1954 року; тоді температуру потрійної точки води поклали рівною 273,16 K. Отже, абсолютний нуль лежить на 273,16 градуса нижче цієї точки, а за Цельсієм — на рівно −273,15 °C. 2019 року кельвін перевизначили через сталу Больцмана, проте значення абсолютного нуля від цього не змінилося.

Що відбувається поблизу нуля

Що нижча температура, то менше теплових коливань у речовині. Ентропія системи прямує до сталого мінімального значення; для ідеального кристала воно дорівнює нулю. Теплоємність також прямує до нуля.

Проте зупинити рух частинок повністю не можна. За законами квантової механіки атоми й молекули у вузлах кристалічної ґратки навіть за 0 K здійснюють так звані нульові коливання й мають нульову енергію.

Рекорди холоду

Найхолоднішим відомим природним об’єктом вважають туманність Бумеранг, де 2003 року зафіксували близько 1 K. У лабораторіях пішли значно далі:

• листопад 2000 року — Гельсінкський технологічний університет: менше 100 пікокельвінів, але лише для однієї ступені свободи — ядерних спінів;
• 2015 рік — Массачусетський технологічний інститут: близько 500 нанокельвінів для молекул натрій-калію;
• 38 пікокельвінів — Бременський університет, бозе-ейнштейнівський конденсат атомів рубідію (джерела датують рекорд 2018 або 2021 роком).

Лазерне охолодження дає змогу отримувати температури, нижчі за мільярдну частку кельвіна.

Запитання

Чому абсолютний нуль недосяжний?

Так стверджує третій закон термодинаміки: жоден фізичний процес не доводить систему до абсолютного нуля за скінченну кількість кроків. Можна лише наближатися до нього, і лабораторні рекорди вже вимірюються десятками пікокельвінів.

Як визначають кельвін після 2019 року?

Раніше кельвін задавали через потрійну точку води, якій приписували рівно 273,16 K. Після перегляду Міжнародної системи одиниць 2019 року кельвін прив’язано до точного значення сталої Больцмана — 1,380649 × 10⁻²³ Дж/К. Для практики нічого не змінилося: вода, як і раніше, замерзає за 0 °C.

Чи буває температура нижча за абсолютний нуль?

Ні в звичайному розумінні. Проте деякі ізольовані системи з верхньою межею енергії, наприклад спіни в магнітному полі, можуть мати формально від’ємну термодинамічну температуру. Такі системи не холодніші, а «гарячіші» за будь-яку додатну температуру. 2013 року подібний стан отримали для газу атомів у Мюнхені.

Див. також

• Розділ «Фізика» Механіка, оптика, електроніка, ядерна фізика та фізики.

Джерела

1. Absolute zero — Wikipedia (англійська)
2. Kelvin — Wikipedia (англійська)

Статтю написано редакцією словника за наведеними джерелами; дати й факти звірено між ними. Якщо джерела розходяться, це сказано в тексті.