Вченим вдалося здійснити щось неймовірне: вони змогли охолодити речовину нижче температури, яка досі вважалася абсолютним мінімумом. У більшості сучасних підручників з фізики абсолютний нуль за шкалою Кельвіна або мінус 273,15 градусів за Цельсієм вважається найнижчою з можливих температур, оскільки при ній навіть найлегший елемент - водень - повністю втрачає свою рухливість, тобто, кажучи фігурально, замерзає.
Як не дивно, але одним із способів вивчення негативних температур є нескінченно сильний розігрів речовини. Цей незвичайний підхід, що дозволяє у теорії проектувати двигуни, ККД яких буде вище 100%, проливає світло на такі загадкові субстанції, як темна енергія та інші речі.
З точки зору атомної фізики, температура - це швидкість. Швидкість руху атомів всередині речовини, і чим швидше атоми рухаються, тим вища температура. Відповідно, при мінус 273,15 градусах атоми водню повністю зупиняються. З таким підходом, ніяка речовина не може бути холодніше цього ліміту.
Однак сучасна фізика, щоб зрозуміти сутність температури, пропонує поглянути на неї інакше - не як на лінійний показник, а як на петлю: позитивні температури - це одна частина циклу, негативні - інша. При температурах, що прямують до безкінечно низьких або безкінечно високих, шкала рано чи пізно опиняється на негативній області. При позитивних температурах атоми частіше займають найнижчі енергетичні стани, а при негативних - високі. У фізиці цей ефект відомий, як розподіл Больцмана.
При абсолютному нулі атоми займають найнижчий енергетичний стан, а при "безкінечній температурі" атоми можуть займати відразу всі енергетичні стани. Відповідно, при дуже високих температурах вони займають усі високі енергетичні стани, а при дуже низьких температурах – усі низькі.
"Говорячи про низьку температуру, можна говорити, що ми маємо справу з перевернутим розподілом Больцмана", - говорить фізик Ульріх Шнайдер із Мюнхенського університету у Німеччині. "За такою логікою, речовина, що досягає температури нижче абсолютного нуля, стає гарячою. Ми вважаємо, що при досягненні межі у мінус 273 градуса температура не закінчується, а просто переходить до від'ємних показників".
Як нескладно припустити, об'єкти з негативною температурою поводяться дуже дивно. Наприклад, зазвичай енергія, що виходить від об'єкта з більш високою температурою, завжди буде більшою, ніж від холоднішого об'єкта. Однак якщо речовина переходить на негативну шкалу, то там чим вона холодніша, тим більше енергії випромінює. Таким чином, тут більш холодний об'єкт завжди буде більш енергетично активний, ніж більш теплий.
Іншим дивним наслідком негативних температур є ентропія - показник того, наскільки речовина є впорядкованою. Коли об'єкт має традиційну температуру, він збільшує ентропію речовини навколо і всередині себе, але коли температура переходить у негативну зону, безкінечно "холодний / гарячий" об'єкт здатний знижувати ентропію всередині і навколо себе.
Німецькі фізики говорять, що негативна температура - це поки значною мірою теорія. Але вона стане практикою, коли наука навчиться працювати з чіткими енергетичними показниками одного окремо взятого атома речовини. Коли дослідники зможуть працювати з одним окремим атомом подібно до того, як з об'єктами у макросвіті, можна буде говорити про те, чи зможуть атоми охолоджуватися до супернизьких температур або чи можуть вони переміщатись швидше ніж світло.
Поки ж для генерації негативних температур вчені створили систему, у якій атоми мали жорстку межу того, якою енергією вони можуть володіти. Для цього фізики взяли 100 000 атомів і охолодили їх до температури в одну мільярдну градуса Кельвіна. Атоми були охолоджені у вакуумній камері, ізольованій від зовнішнього середовища. Для точного контролю атомів дослідники застосовували мережу лазерних променів і магнітних полів.
За словами вчених, температура речовини у кінцевому підсумку залежить від того, скільки потенційної енергії є у атома і скільки енергії утворюється від взаємодії між атомами. Крім того, температура також тісно пов'язана з тиском - чим гарячіший об'єкт, тим більше він розширюється і навпаки. Щоб переконатися у тому, що газ може мати температуру нижче абсолютного нуля, потрібно було створити такі умови, у яких самі атоми не мали б істотної енергії, а від відштовхування атомів утворювалося б більше енергії, ніж від їх притягування.
Щось подібне вдалось відтворити у наномасштабі. Симон Браун із Мюнхенського університету говорить, що у майбутньому на практиці такі знання можуть привести до створення надефективних теплових двигунів. Робота таких двигунів ґрунтуватиметься на перетворенні теплової енергії у механічну. Теоретично, з негативними температурами такі двигуни могли б мати ККД вище 100%, хоча з точки зору логіки це здається неможливим.
Джерело: http://infonova.org.ua/science/vcheni-obgruntuvaly-isnuvannya-temperatury-nyzhchoyi-za-absolyutnyj-nul.html#ixzz3KcwTa7aR
Немає коментарів:
Дописати коментар