назад http://www.proza.ru/2015/09/28/1899
Так вот ты какой, абсолютный нуль
В предыдущей статье этого цикла было обсуждено, что происходит с материей, если мы в неё накачиваем энергию. (с выходом на формулу Эйнштейна Е=m*c^2) Но разве не интересно, что происходит с материей, если мы отбираем у неё энергию? (причём заходим за пределы привычной практики) Тем более, что такие эксперименты были начаты уже в конце 19-го столетия.
В 1877 году французский инженер Луи Кайете и швейцарский физик Рауль Пикте независимо друг от друга охладили кислород до жидкого состояния. В 1883 году Зигмунт Врублевски и Кароль Ольшевски выполнили сжижение азота. В 1898 году Джеймсу Дьюару удалось получить и жидкий водород.
В 1893 году проблемой сверхнизких температур стал заниматься голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес. Ему удалось создать лучшую в мире криогенную лабораторию, в которой 10 июля 1908 года им был получен жидкий гелий.
(Пионером этого перспективного направления физики в нашей, тогда Советской, России (а в дальнейшем – в СССР) стал Пётр Леонидович Капица. Но для этого потребовалось разработать доселе неизвестное оборудование – криогенное.(для сжижения газов) И оно, усилиями Капицы и других учёных, было разработано. (а сейчас – серийно выпускается, и причём комплексами, в подмосковной Балашихе, на НПО «Криогенмаш». Но сейчас, увы, не всякий школьник знает, что в баллонах с кислородом –кислород в виде жидкости.)
)
И почти сразу же посыпались супер-открытия:
1)сверхпроводимость
Хейке Камерлинг-Оннес 8 апреля 1911 года неожиданно обнаружил, что при 3 Кельвинах (около ;270 °C) электрическое сопротивление ртути практически равно нулю.
Авторами же теории сверхпроводимости в 1957 году стали три физика-экспериментатора — Джон Бардин (John Bardeen, 1908–1991), Леон Купер (Leon Cooper, р. 1930) и Джон Роберт Шриффер (John Robert Schrieffer, р. 1931) придумали объяснение этому эффекту. Теория сверхпроводимости теперь так и называется в их честь «теорией БКШ» — по первым буквам фамилий этих физиков.
2)сверхекучесть
в 1938 году П.Л.Капица открывает свертекучесть – отсутствие вязкости (в пределах точности измерений) у гелия-2, аллотропной модификации (она же – агрегатное состояние вещества) гелия, возникающей при Т= 2,172 К. (Нобелевская премия по физике за 1978 г.)
(сейчас установлено, что коэффициент вязкости у гелия-II меньше 10-12 Па·с)
Теория сверхтекучести гелия-II была разработана Л. Д. Ландау (Нобелевская премия по физике за 1962 год).
И только приблизительно через столетие физики получили следующее открытие на этом пути
3)конденсат Бозе-Эйнштейна.
Абсолютный нуль, конденсат Бозе-Эйнштейна.
Что же это такое?
Это агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю(меньше миллионной доли кельвина). В таком, сильно охлаждённом, состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне.
Поясню термины:
Существует два типа элементарных частиц – бозоны и фермионы. К бозонам относятся, например, фотоны - переносчики электромагнетизма, и глюоны, которые переносят сильное взаимодействие и определяют притяжение друг к другу кварков. Знаменитый бозон Хиггса, ради поисков которого был создан Большой адронный коллайдер, тоже относится к этой категории элементарных частиц.
Принадлежность частицы к бозонам определяется по ее спину – собственному моменту импульса элементарных частиц (иногда понятие спина определяют как вращение частицы вокруг собственной оси, но такое представление слишком упрощает ситуацию). Спин бозона всегда целый - то есть выражается целым числом. У другой разновидности элементарных частиц - фермионов - спин полуцелый. (Пример фермиона – всем известный электрон.)
Фермионы (слева) выстраиваются "в линейку" по энергиям квантовых уровней, а бозоны (справа) могут скапливаться на уровне с наименьшей энергией.
Бозоны и фермионы отличаются друг от друга не только значением спина - эти частицы несходны по целому ряду фундаментальных свойств. В частности, бозоны могут не подчиняться так называемому принципу, или запрету, Паули, который постулирует, что две элементарные частицы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Квантовые состояния отличаются друг от друга по энергиям, и при низких температурах фермионы (которые строго соблюдают запрет Паули) поочередно заполняют последовательные состояния. Первыми занимаются состояния с наименьшей энергией (самые "ненапряжные" для частиц), а последними – с самой высокой энергией. Нагляднее всего это свойство фермионов выстраиваться в линейку по квантовым состояниям заметно при низких температурах, когда поведение системы не маскируется за счет температурных флуктуаций.
Бозоны при низких температурах ведут себя иначе - они не ограничены запретом Паули и поэтому стремятся по возможности занять самые удобные места, то есть квантовые уровни с наименьшей энергией. В итоге при охлаждении бозонов происходит следующее: они начинают двигаться очень медленно - со скоростями порядка нескольких миллиметров в секунду, очень тесно "прижимаются" друг к другу, "соскакивают" в одно и то же квантовое состояние и в конце концов начинают вести себя скоординировано - так, как вела бы себя одна гигантская квантовая частица. Это и есть конденсат Бозе-Эйншейна.
Вот история (экспериментального) открытия этого агрегатного состояния материи:
В 1995 году Эрику Корнеллу и Карлу Вимену из Национального института стандартов и технологии США при помощи лазерного охлаждения удалось охладить около 2 тысяч атомов рубидия-87 до температуры 20 нанокельвинов и экспериментально подтвердить существование конденсата Бозе — Эйнштейна в газах, за что они совместно с Вольфгангом Кеттерле, который четыре месяца спустя получил конденсат Бозе — Эйнштейна из атомов натрия с использованием принципа удержания атомов в магнитной ловушке, в 2001 г. были удостоены Нобелевской премии по физике[2].
Каковы же необычные свойства этого агрегатного состояния материи?
До недавнего времени наименьшая официально зарегистрированная скорость света в среде была чуть больше 60 км/ч — сквозь пары натрия при температуре ;272 °C[3]. Но в 2000 году группе учёных из Гарвардского университета удалось привести свет к скорости много меньшей, 0,2 мм/с, направив его на конденсат Бозе — Эйнштейна рубидия[4][5].
**
Таким образом, материя, под натиском физиков, вроде бы, сдаётся: остановить её можно.
Но почему же тогда философы –ленинисты так сильно настаивают на том, что такого быть не может?
Видимо, потому, что, чтобы что-то (очень сильно) охлаждать, нужно что-то другое очень сильно нагревать.
Поэтому, видимо, во всей Вселенной и не возникает таких условий, при которых что-то очень сильно охлаждается. (а именно, почти до абсолютного нуля. Но вот нагреваться до бещенных температур ,увы, может, но только не в земных условиях, а вот в звездных – вполне возможно.
То есть здесь Вселенная даёт огромную фору человеку. А почему - это надо бы разобрать продробней.) Это всё, как и трансурановые элементы – достижения лабораторий (равно как и нагрев вещества до 50 миллионов градусов в «Токамаке», который, однако, удаётся сохранить всего лишь десятые доли секунды)
***
Разберёмся в общем, что же происходит при охлаждении тела до абсолютного нуля.
Отнимая энергию агрегатного состояния у образца материи (то есть тела), мы заставляем его переходить во всё более и более структурированное состояние, то есть образовывать суперструктуру (и конденсат Бозе-Эйнштейна – самое близкое, на сегодняшний день, приближение к такой супер-структуре), в противоположность супер-газу, образующемуся в итоге при накачке энергии в материю, вплоть до энергии E=m*c^2. И в таком супер-газе структурность (и энергия структурности, то есть внутренная энергия с*T (при любой T) приближается к 0, т.к. приближается к нулю удельная теплоёмкость.) , равно как в супер-структуре энергия агрегатного состояния S*T (при любой T) равна 0. Т.к. энтропия суперструктуры приближается к 0.
Но тогда подтверждается и вывод о том, что при приближении к суперструктуре удельная теплоёмкость будет всё больше и больше (вот почему, чем ближе мы к абсолютному нулю, тем труднее охлаждать материю), а при приближении к супер-газу – стремится к бесконечности энтропия. (а значит, и энергия агрегатного состояния. Стоп, но как же тогда формула E=m*c^2? Она-то говорит о конечности энергии в предельно диспергированном состоянии материи.) Поэтому опять же чем ближе мы к супергазу, тем труднее (а именно энергетически, как и при приближении к суперструктуре) приближаться дальше.
Таким образом, мы получили теоретическое представление о двух крайних, оппозитных агрегатных состояниях материи, имеющих противоположные свойства. Но достижение их (причём и того и этого, а не только супер-структуры, иначе предельно конденсированного состояния материи) проблематично не потому, что «нет материи вне движения», а потому, что в одну сторону происходит рост удельной энтропии, а в другую – рост удельной теплоёмкости материи, что и всё более затрудняет дальнейшие шаги для их достижения.
Однако на сегодня самая низкая температура, достигнутая человеком, была получена в 1995 году Эриком Корнеллом и Карлом Виманом из США при охлаждении атомов рубидия.[50][51]. Она была выше абсолютного нуля менее чем на 1/170 миллиардную долю кельвина (5,9·10;12 K).
Самая высокая температура получена в центре взрыва термоядерной бомбы – около 300...400 млн °C. Максимальная температура, достигнутая в ходе управляемой термоядерной реакции на испытательной термоядерной установке ТОКАМАК в Принстонской лаборатории физики плазмы, США, в июне 1986 г., составляет 200 млн °C.
Суперструктуру можно создать и по-другому, засчёт увеличения (внешнего) давления, тогда как супергаз – засчёт уменьшения давления … до 0. Но это же и есть вакуум… И зачем его создавать, ибо вот он, в окружающем нас космическом пространстве.
Но главное не это, а то, что это и есть супергаз, то есть предельно диспергированное состояние материи.(плотность которого, кстати, крайне низка. А поэтому, чтобы охватить в космическом пространстве хотя бы массу этой материи в 1 кг, нужен мешок огромных размеров.
Какова же температура это супергаза? Близка в абсолютнонму нулю.
Таким образом и в прибижении к абсолютному нулю Вселенная тоже даёт фору человеку, но только с помощью уменьшения давления.)
Так отъём энергии ведёт к абсолютному нулю или закачка её в материю, в виде давления? (а значит, совершения положительной работы над телом)
Получается, можно и так и этак – результат один. Но как такое может быть?
Точно также ведь сочетается и ход к ПДС в виде накачки энергии в тепловой форме и откачки в виде (отрицательной) работы. (и 2-ое получается само собой, в космическом пространстве)
Вот так загадка!
Не разгадка ли её в том, что накачивая энергию в форме работы, мы уменьшаем объём тела и тем самым способствуем (интенсифицируем) процесс структурирования материи в нём. А откачивая энергию в форме (отрицательной) работы, мы способствуем деструктурированию материю. Ибо при этом энергия также черпается из энергии агрегатного состояния.
Но что-то здесь не так, неправда ли? Откачивая энергию от тела в форме работы, мы в итоге увеличиваем энергию тела. А именно, энергию агрегатного состояния. Потому что при этом внутренняя энергия уменьшается, ибо эта работа связана только с внутренней энергией: уменьшая последнюю, мы увеличиваем энергию агрегатного состояния.
А, вот, понятно: уменьшая внешнее давление, мы просто предоставляем материи всё больше пространство (в результате чего плотность энергии в ней падает), в результате чего величина сил притяжения частиц материи падает.
Итак, давление – это плотность энергии. Увеличивая внешнее давление, мы просто увеличиваем плотность энергии в теле. В результате чего часть энергии агрегатного состояния переходит во внутреннюю энергию (т.к удельная теплоёмкость, которая и есть плотность энергии, растёт)
***
По-видимому Материя (при охвате всей Вселенной) по-любому обладает энергией. (а не то, что говорят ленинисты: вне движения материи нет)
А хотя … почему это? ведь одна её часть может обладать положительной энергией, а другая – отрицательной. Но разве может быть энергия отрицательной? Да, но только потенциальная.. Что же в итоге? В сумме-то энергия может быть отрицательной? Да, но только тогда, когда ты находишься в потенциальной яме (например, как электрон в атоме), а это случается, если твоя кинетическая энергия по модулю меньше отрицательной потенциальной.
Что же в итоге? Смею предположить: сумма кинетической и потенциальной энергии Вселенной равна 0.