Недавно Театр Занимательной науки обратился к учёному-физику Иванову Игорю Пьеровичу с просьбой развеять некоторые «температурные непонятности». Получив ответ, мы в который раз убедились, что абсолютная истина – непостижима, а приближение к ней порождает плеяду новых вопросов. Так и должно быть! 1. Существует ли верхняя граница температуры?
Наверно, самый правильный ответ будет такой: существует она в природе или нет – неизвестно, но если даже и существует, то она недостижима ни в каких человеческих экспериментах.
Если чуть подробнее, то сначала надо напомнить, что температура – это мера «разогретости» вещества, характеристика того, сколько внутренней энергии беспорядочного микроскопического движения в него «внедрили». Чем больше концентрация внутренней энергии, тем больше температура. Температура, впрочем, растёт не прямо пропорционально энергии, а чуть медленнее, потому что теплоёмкость вещества постепенно увеличивается с ростом температуры, но для общей картины это не очень существенно.
Так вот, если придерживаться экспериментально проверенных разделов физики, то максимальной температуры в них не видно. Если бы у нас был «идеальный нагреватель», который позволял бы «всаживать» всё больше и больше энергии в какой-то объем вещества, то мы бы видели вот что. При температуре в тысячи градусов вещество бы превратилось в газ, а затем в плазму – состояние вещества, в котором ядра летают отдельно от электронов. При температуре в миллионы и миллиарды градусов начались бы ядерные превращения при столкновении ядер. При температуре в триллионы градусов вместо электронов и ядер мы бы уже увидели мешанину всевозможных частиц (мезонов, барионов, мюонов, позитронов и так далее). Эти частицы спонтанно рождались бы при столкновении ядер или электронов. Вот эти триллионы градусов – это пока предел того, что до сих пор было получено в эксперименте.
Однако теоретически ничто нам не мешает увеличивать концентрацию энергии и дальше. При температуре в несколько квадриллионов градусов произошла бы удивительная вещь – массы частиц начали бы уменьшаться, а потом и вовсе стали бы равными нулю. Так, по крайней мере, предсказывает современная теория элементарных частиц. При дальнейшем повышении температуры начали бы появляться новые и новые типы частиц, но принципиально ситуация не изменится до тех пор, пока мы не достигнем предела применимости всех нынешних теорий – планковской температуры, которая составляет 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 00 (1032) градусов. При этой температуре «закипит» само пространство, и как описывать насколько горячий мир, мы просто не знаем. Может быть, есть какие-то физические ограничения на дальнейший рост температуры (например, при попытке ещё сильнее увеличить концентрацию энергии в вешестве, оно сколлапсирует в черную дыру), но может быть и нет. Чтоб по-настоящему ответить на этот вопрос, нам надо построить самосогласованную теорию, которая учитывает «кипение пространства» (т.е. одновременно и сильную гравитацию, и квантовую механику). К сожалению, такую теорию до сих пор построить не удалось. 2. Как ведут себя атомы вещества при абсолютном нуле ? Что происходит?
Проще всего рассказать, что происходит с атомами в разреженном газе при приближении к абсолютному нулю.
Если кратко, то при экстремальном понижении температуры атомы расплываются в пространстве в виде облачков. При обычных температурах это расплывание незаметно, потому что оно происходит не так быстро, как столкновения атомов друг с другом. Облачко-атом пытается начать расплываться, но тут же сталкивается с другим атомом и снова собирается в маленький объем. Потом опять пытается расплываеться, но тут же снова с кем-то сталкивается, и так далее.
При низких же температурах движение медленное, столкновения происходят редко, и в результате облачка-атомы могут вырасти до больших размеров. Эту картинку надо представлять себе аккуратно: расстояния между электронами и ядром в каждом атоме остается таким же маленьким, каким и был. Но только весь этот коллектив – ядро и электроны – синхронно размазан в пространстве. (Визуализировать эту ситуацию поможет вот эта задачка: http://elementy.ru/problems/156 )
Размер облачков растет до тех пор, пока атомы не начинают чувствовать друг друга. Если атомов совсем мало – например, один атом на весь объем, – он будет распухать до тех пор, пока станет размером с емкость, в которой он хранится. (Экспериментальной физике, впрочем, до таких низких температур еще очень далеко.) При абсолютно нулевой температуре атом тогда просто застывает в этой емкости и ничего с ним больше не происходит.
Если же атомов много, а тем более если у нас изначально не разреженный газ, а кусок твердого тела, то описание усложняется, потому что атомы должны двигаться не независимо, а синхронно. Но в конце концов результат будет тот же: при нулевой температуре все хаотические колебания замирают, и вещество просто «стоит».
Тут на всякий случай надо сказать еще вот что. Когда атомы замирают – это не значит, что у них нулевая кинетическая энергия. Так уж получается по законам квантовой механики, которая описывает микромир, что даже в этом состоянии у частиц есть неустранимая кинетическая энергия. Однако эта кинетическая энергия не приводит ни к какому перемещению атома в пространстве. Грубо говоря, она лишь позволяет атому «держать форму облака», никуда не смещаясь.