Абсолютний нуль: історія відкриття і основне застосування

Фізичне поняття «абсолютний нуль» має для сучасної науки дуже важливе значення: з ним тісно пов`язане таке поняття, як надпровідність, відкриття якої справила справжній фурор у другій половині ХХ століття.

Щоб зрозуміти, що ж таке абсолютний нуль, слід звернутися до робіт таких відомих фізиків, як Г. Фаренгейт, А. Цельсій, Ж. Гей-Люссак і У. Томсон. Саме вони відіграли ключову роль у створенні використовуваних досі основних температурних шкал.

Першим свою температурну шкалу запропонував в 1714 році німецький фізик Г. Фаренгейт. При цьому за абсолютний нуль, тобто за найнижчу точку цієї шкали, була прийнята температура суміші, яка включала в себе сніг і нашатир. Наступним важливим показником стала нормальна температура тіла людини, яка стала дорівнювати 1000. Відповідно, кожний розподіл даної шкали отримало назву «градус Фаренгейта», а сама шкала - «шкали Фаренгейта».

Через 30 років шведський астроном А. Цельсій запропонував свою температурну шкалу, де основними точками стали температура танення льоду і точка кипіння води. Ця шкала отримала назву «шкали Цельсія», вона досі популярна в більшості країн світу, в тому числі і в Росії.

У 1802 році, проводячи свої знамениті досліди, французький вчений Ж. Гей-Люссак виявив, що обсяг маси газу при постійному тиску знаходиться в прямій залежності від температури. Але найцікавіше полягало в тому, що при зміні температури на 10 за шкалою Цельсія, обсяг газу збільшувався або зменшувався на одну і ту ж величину. Провівши необхідні обчислення, Гей-Люссак встановив, що ця величина дорівнювала 1/273 від обсягу газу при температурі, що дорівнює 0С.

З цього закону слідував висновок, що напрошується: температура, рівна -2730С, є найменшою температурою, навіть підійшовши до якої впритул, досягти її неможливо. Саме ця температура отримала назву «абсолютний нуль».

Більш того, абсолютний нуль став відправною точкою для створення шкали абсолютної температури, активну участь у якому взяв англійський фізик У. Томсон, відомий також, як лорд Кельвін.

Його основне дослідження стосувалося докази того, що жодне тіло в природі не може бути охолоджене нижче, ніж абсолютний нуль. При цьому він активно використовував другий закон термодинаміки, тому, введена ним в 1848 році абсолютна шкала температур стала називатися термодинамічної або «шкалою Кельвіна».

У наступні роки і десятиліття відбувалося тільки числове уточнення поняття «абсолютний нуль», яке після численних узгоджень стало вважатися рівним -273,150С.

Варто також звернути увагу, що абсолютний нуль відіграє дуже важливу роль в системі СІ. Вся справа в тому, що в 1960 році на черговий Генеральної конференції з мір та ваг одиниця термодинамічної температури - кельвін - стала однією з шести основних одиниць вимірювань. При цьому спеціально обмовлялося, що один градус Кельвіна чисельно дорівнює одному градусу Цельсія, тільки от точкою відліку «за Кельвіном» прийнято вважати абсолютний нуль, тобто -273,150С.

Основний фізичний зміст абсолютного нуля полягає в тому, що, згідно основним фізичним законам, при такій температурі енергія руху елементарних частинок, таких як атоми і молекули, дорівнює нулю, і в цьому випадку має припинитися будь хаотичний рух цих самих частинок. При температурі, що дорівнює абсолютного нуля, атоми і молекули повинні зайняти чітке положення в основних пунктах кристалічної решітки, утворюючи впорядковану систему.

В даний час, використовуючи спеціальне обладнання, вчені змогли отримати температуру, лише на кілька мільйонних часток перевищує абсолютний нуль. Досягти ж самої цієї величини фізично неможливо через описаного вище другого закону термодинаміки.