Холоднее и ещё холоднее

Холоднее и ещё холоднее

// Самые низкие температуры на Земле и во Вселенной
Авторы: Олег Фея, физик, сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ

Около 14 миллиардов лет назад, при рождении, Вселенная была раскалена до колоссальных 1032 °С. Сейчас её основное свойство — холод.  Но здесь, на Земле, морозы до –200 градусов нам не грозят. Поэтому надеемся, что рассказ о сверхнизких температурах поможет вам морально согреться даже в стужу.

 

Самая низкая в принципе

Где: Нигде. В природе такое не встречается.

Сколько: –273,15 °С, или 0 К (градусов Кельвина)

Однажды лорд Кельвин обозвал нерасторопного дворецкого абсолютным нулём. Так появился термин. Шутка. Более того, совсем не этот учёный первым определил самую низкую температуру.

Ещё в начале XVIII века об «абсолютном холоде» задумался французский физик Гийом Амонтон. Он обнаружил, что воздух при нагреве от 0 °С (точка замерзания воды) до 100 (кипение) увеличивает давление примерно на треть. Учёный задумался: насколько нужно охладить воздух, чтобы давление исчезло, то есть воздух превратился в твёрдое вещество? И получил –239 °С. Спустя полтора столетия британский физик Уильям Томпсон (тогда ещё не удостоенный титула лорда Кельвина), исходя из похожих соображений, рассчитал почти точное значение абсолютного нуля. 

В реальности абсолютный нуль не существует. Почему? Температуру тела создаёт движение атомов, а значит, при –273,15 °С все они должны находиться в полном покое. Но это невозможно из-за квантовых эффектов, так называемых нулевых колебаний, которые есть даже у вакуума.

 

Самая низкая в природе

Где: Туманность Бумеранг, которая находится на расстоянии 5 тысяч световых лет от этого номера «Кота Шрёдингера».

Сколько: 1 К (–272 °С)

Где же попытаться найти наименьшую температуру? Наверное, там, где нет никаких источников тепла — например, в открытом космосе вдали от галактик? Увы, мы потерпим неудачу, ибо даже космическое захолустье нагрето на несколько градусов, а именно до 2,725 К, за счёт реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва.

Но, оказывается, в космосе может быть что-то холоднее пустоты. В 1995 году астрономы Европейской южной обсерватории, расположенной в Чили, рассчитали, что звёздный газ в туманности Бумеранг извергается со скоростью в 600 тыс. км/ч. Такой «быстрый» газ охлаждается до 1К за счёт адиабатического процесса, суть которого в том, что если газ очень быстро расширяется, то он одновременно и охлаждается, потому что его внутренняя тепловая энергия расходуется — например, как в случае с туманностью, на увеличение газовой оболочки. Этот принцип лежит в основе работы большинства холодильников.

 

Самая низкая в Солнечной системе

Где: Луна.

Сколько: –240 °С

Казалось бы, чем дальше от Солнца, тем холоднее, и в некоторой степени это верно. В тройку самых холодных мест входят спутник Нептуна Тритон (не выше –237,6 °С), Плутон (–230 °С) и, неожиданно, — Луна.

Почему так холодно на Тритоне, понятно: как-никак 4,5 миллиарда километров от Солнца.  Плутон холоднее, чем должен быть, из-за того, что азотный лёд на его поверхности тает при приближении планеты к Солнцу и вновь образуется при удалении. В результате поверхность охлаждается подобно телу потеющего человека. Луна же стала рекордсменкой за счёт глубоких кратеров, дна которых не достигает солнечный свет. Притом что её поверхность может разогреваться более чем до 100 °С.

Надо заметить, в Солнечной системе ещё много, очень много неисследованных тел, и, вполне возможно, какие-то объекты из Облака Оорта или пояса Койпера могут подвинуть Луну с пьедестала.  

 

Самая низкая из созданных человеком

Где: Стэнфордский унивреситет.

Сколько: 50 пикокельвин (0,000 000 000 05 К)

Многие материалы проявляют удивительные свойства при сверхнизких температурах. Например, металлы становятся сверхпроводящими, жидкости и сконденсированные газы — сверхтекучими. При температуре около абсолютного нуля существует конденсат Бозе — Эйнштейна, состояние вещества, при котором все атомы приобретают один и тот же энергетический уровень и становятся неотличимы друг от друга. 

Весной этого года физик Марк Касевич и его коллеги из Стэнфордского университета смогли охладить конденсат из 100 тысяч атомов рубидия до температуры около 50 пикокельвин, говорится в статье, опубликованной в Physical Review Letters. Таких показателей удалось достигнуть с помощью специального лазера, подавлявшего движение атомов.

 

Самая низкая на Земле

Где: Станция «Восток», Антарктида.

Сколько: –89,2 °С

Восток — дело не только тонкое, но и очень холодное, если речь идёт об антарктической станции. Температурный рекорд –89,2 °С, зафиксированный советскими метеорологами в 1983 году, сейчас пытаются оспорить. Например, недавно сообщалось, что рядом с японской полярной станцией «Купол Фудзи» было на два градуса холоднее. Однако измерение проводилось с помощью спутника, а он считывает только температуру поверхности, а не воздуха.

За право считаться полюсом холода в Северном полушарии борются два населённых пункта в Якутии: город Верхоянск и метеостанция в 40 километрах от села Оймякон. Похоже, что в Верхоянске рекордная температура всё же немного ниже и составляет –67,8 °С.

Впрочем, защитники Оймякона не сдаются и даже посягают на общемировой рекорд. Станция «Восток», справедливо замечают они, находится на высоте более трёх километров над уровнем моря, а Оймякон  — 700 метров, и если привести их к одному уровню, Оймякон будет самым холодным местом на планете. В этих рассуждениях, правда, не нашлось места Верхоянску, который находится чуть более чем в сотне метров над уровнем моря.

 

 

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №12 (14) за декабрь 2015 г.

Подписаться на «Кота Шрёдингера»