История абсолютного “0”. Как получить самую низкую температуру во Вселенной.

История абсолютного "0". Как получить самую низкую температуру во Вселенной.

 

Недалеко от центра Шотландии находится большое болото, известное как Дуллатур Бог. Вода просачивается с этих топей и сливается в верховья реки. В конце 19 века эта река должно быть, произвела впечатление на сэра Уильяма Томпсона. Известного ученого и президента Королевского общества. Когда королева Виктория даровала ему титул барона в 1892 году, он решил принять название реки как свое. С тех пор сэр Уильям Томпсон стал известен как лорд Кельвин.

Вклад Кельвина в науку огромен, но сегодня он, пожалуй, наиболее известен благодаря температурной шкале, носящей его имя. Она названа так в честь открытия им самой низкой температуры в нашей Вселенной.

Кельвин сыграл важную роль в разработке законов термодинамики. И в 1848 году он использовал их, чтобы экстраполировать, что самая холодная температура, абсолютный ноль, независимо от вещества, составляет -273,15 °C. Теперь мы знаем эту отметку как ноль по Кельвину.

 

Уильям Томпсон стал известен как лорд Кельвин

 

После того, как эта абсолютная нулевая температура была окончательно определена, выдающиеся ученые начали многочисленные независимые попытки по созданию машин для исследования этой физической границы.

До этой холодной лихорадки XIX века большинство европейских ученых считали, что холод сам по себе является реальной физической субстанцией. Состоящей из атомов первичного газа, переносимого по воздуху.

Это объясняло, почему вода расширялась при замерзании – она ​​впитывала большое количество этих холодных частиц. Физик Роберт Бойль развеял это представление в 1665 году. Тщательно взвесив воду до и после того, как вынесли ее на улицу холодной ночью. Продемонстрировав, что изменился только ее объем, но не масса.

Индустриальная революция

 

Индустриальная революция

 

На заре промышленной революции новомодные паровые машины начали использовать тепло в работе, а науку – в прибыль. Раскрытие истинной природы тепла привело бы к созданию более эффективных электростанций. Поэтому для решения этой проблемы были задействованы все интеллектуальные и финансовые ресурсы.

Лорд Кельвин сделал вывод, что если достаточно уменьшить температуру вещества, можно было бы достичь границы. При которой молекулы станут совершенно неподвижными. Минимально возможной температуры. Его расчеты правильно указали -273,15 °C в качестве этой физической границы.

Это знаменательное открытие вызвало еще больше вопросов. Возможно ли достичь абсолютного нуля? Что произойдет с молекулами, вынужденными оставаться в таком состоянии покоя? Распадутся ли они? Превратятся ли они в еще не наблюдаемую фазу материи? Что это будет означать?

 

Борьба за “постоянный газ”

Одним из джентльменов, способных ответить на эти вопросы, был шотландский ученый сэр Джеймс Дьюар. Опытный изобретатель и профессор Королевского института в Лондоне.

 

шотландский ученый сэр Джеймс Дьюар изобретатель и профессор Королевского института в Лондоне

 

В начале 1800-х годов Фарадей обнаружил, что практически любой газ можно заставить сжижаться. Применяя высокое давление и ледяные ванны. Методы Фарадея позволяли достичь низких температур до -130 °C. Но, несмотря на его изобретательность, три из опробованных им газов – кислород, азот и водород, упорно сопротивлялись фазовому переходу в жидкость.

Ко времени Джеймса Дьюара ученые с более сложным, но все еще довольно причудливым оборудованием, наконец, получили сжиженный кислород при -183 °C. И азот при поразительной -196 °C. Они достигли этого, используя эффект Джоуля-Томсона.”Томпсон” – это тот же человек, который позже стал лордом Кельвином.

Эффект Джоуля-Томсона описывает тенденцию большинства газов к охлаждению, когда они расширяются через клапан. Это дало возможность охлаждать вещества поэтапно. Используя ряд газов, каждый из которых труднее сжижать, чем предыдущий.

Экспериментаторы использовали насосы для сжатия каждого газа в отдельные резервуары для хранения. Затем они использовали охлаждающие ванны и теплообменники, чтобы снизить температуру каждого заполненного резервуара. Как только каждый сжатый газ будет достаточно охлажден, начнется “каскадный” процесс.

 

“Гора водорода”

 

исследования с целью сжижения водорода

 

Ученые в то время считали, что водород сжижается при -250 °C. Это было грандиозная задача для того времени, и для этого потребовались бы устройства, которые еще не были изобретены. Но тот, кто первым получит сжиженный последний оставшийся “постоянный газ”, наверняка будет осыпан научным признанием за продвижение знаний человечества о свойства материи.

Джеймс Дьюар любил называть эту задачу “горой водорода”. Дьюар знал, что, если он сможет стать первым, кто ее покорит, его имя будет записано в залах Королевского института рядом с именем великого Майкла Фарадея. Таким образом, в середине 1880-х годов сэр Джеймс Дьюар решил направить все свои научные и инженерные ресурсы на криогенные исследования с целью сжижения водорода.

По мере продвижения экспериментов Джеймс Дьюар провел серию публичных лекций. Чтобы демонстрировать свойства самых холодных жидкостей. Специальные “сосуды Дьюара”, которые он использовал для работы с этими жидкостями, были его собственным изобретением.

Стеклянный сосуд со слоем вакуума между внутренней и внешней стенками. Ученый окунал обычно гибкие предметы в жидкий азот, а затем разбивал их, как стекло. Он доставал колбу с голубоватым жидким кислородом, который бурно кипел при комнатной температуре. Наконец, он помещал зажженную свечу в пары жидкого кислорода, что вызвало драматическую вспышку пламени.

 

Ученый окунал обычно гибкие предметы в жидкий азот, а затем разбивал их, как стекло

 

Он завершал эти демонстрации низких температур, объясняя аудитории, что наука все больше приближается к максимально низкой температуре. После чего молекулы станут совершенно неподвижными. И, вероятно, произойдет “смерть вещества”.

Ожижитель водорода Дьюара

Дьюар усовершенствовал свою каскадную систему охлаждения. В лаборатории был установлен современный бензиновый насос мощностью 100 лошадиных сил, и 10 мая 1898 года Джеймс Дьюар и лаборанты Роберт Леннокс и Джеймс Хит подготовили для попытки свое изобретение.

Газ с шипением поступал в расширительный бачок большего размера без каких-либо признаков замерзания или засоров. Градусник постоянно падал. Как только показание показало -252 °C, прозрачная бесцветная жидкость начала медленно, но верно капать в стеклянный коллектор на дне расширительного бачка. Это продолжалось пять минут, пока сопло не замерзло и эксперимент не остановился.

Джеймс Дьюар взял небольшой пузырек с жидким кислородом и погрузил его в новую жидкость. Бледно-голубой кислород мгновенно превратился в бледно-голубое твердое вещество. Это доказало, что двадцать кубических сантиметров жидкости в коллекторе действительно были водородом.

 

Джеймс Дьюар провел серию публичных лекций. Чтобы демонстрировать свойства самых холодных жидкостей

 

Благодаря десятилетним усилиям он создал самый холодный объект, который когда-либо видела Земля, всего на 21 жалкий кельвин выше абсолютного нуля. Он сделал то, что великий Майкл Фарадей когда-то считал невозможным. Он сжижил последний имеющийся “постоянный газ” и обеспечил себе место в истории.

По крайней мере, так он думал.

Новая цель – гелий

Как выяснилось, его достижение затмило другое открытие: химики определили еще один элементарный газ, температура разжижения которого была даже ниже, чем у водорода. Действительно, гелий настолько легкий, что избегает гравитации Земли и уносится в космос, однако ученые наконец начали находить некоторые из них, заключенные в скалах, песках и полостях. Гелий стал новым последним постоянным газом, и, следовательно, его сжижение стало самой благородной целью.

К 1903 году Дьюар, наконец, набрал достаточно газа для попытки. Обновленная криогенная система была еще более сложной, чем прежде. Огромная фабрика холода, украшенная клапанами, канистрами, вентиляционными отверстиями и трубами. Ученые подключили свой драгоценный баллон со сжатым гелием к входному отверстию и использовали запас жидкого водорода для охлаждения контейнера.

Когда они открыли клапан, чтобы расширить сам гелий, некоторые примеси в газе замерзли внутри трубки и препятствовали потоку. Неизвестный ассистент с быстрыми рефлексами открыл гелиевый клапан. Но повернул его либо не в ту сторону, либо слишком далеко. Потому что вместо того, чтобы остановить поток гелия, он выпустил все это в лабораторию, провалив эксперемент.

Успех Камерлинг-Оннеса

 

Успех Камерлинг-Оннеса

 

На рассвете 10 июля 1908 года блестящий и амбициозный молодой ученый, работавшим в лаборатории Лейденского университета в Нидерландах, Камерлинг-Оннес и его помощники собрались в своей собственной низкотемпературной лаборатории в Лейдене. Оннес нашел свой собственный источник песка с примесью гелия. И он терпеливо провел годы, добывая и собирая собственные запасы этого дефицитного элемента.

Когда весть о намерении сделать гелий жидким распространилась по университетскому городку, небольшая толпа собралась в лаборатории, чтобы наблюдать.

В 16:20 критические части сборки были залиты жидким водородом, и исследователи открыли главный гелиевый вентиль. Их лабораторный компрессор шумно пыхтел, создавая постепенно увеличивающееся давление внутри расширительного бака. Чтобы увеличить вероятность конденсации гелия. В течение оставшейся части дня ученые непрерывно пополняли жидкий водородный хладагент и наблюдали за термометром. Который опускался к температурам, при которых гелий должен был разжижаться.

С помощью электрической лампы Оннес стал первым человеком на Земле, который увидел жидкий гелий. Ученые не ожидали, что показатель преломления жидкого гелия будет настолько низким, что его будет трудно увидеть при естественном освещении.

Оннес поспешил провести наблюдения с небольшим сосудом с жидкостью -271 °C, прежде чем вся она испарилась. Он обнаружил, что у нее более низкое поверхностное натяжение, чем у любой ранее наблюдаемой жидкости, и составляет всего 1/8 плотности воды.

 

 

 

Новое состояние материи

Он не мог знать, что создал редкую и мимолетную сверхтекучую среду, ранее неведомое состояние материи. Вязкость или толщина жидкости вызвана рассеянием энергии из-за трения между частицами. Но, поскольку сверхтекучий жидкий гелий уже находится в самом низком состоянии, он не может рассеивать энергию. И поэтому она должна течь с нулевым сопротивлением.

Пройдет 15 лет, прежде чем любой другой исследователь добьется успеха в производстве жидкого гелия. Тем временем Оннес использовал свою гелиевую монополию для изучения воздействия температур, близких к абсолютному нулю, на различные материалы.

Он обнаружил, что некоторые материалы, такие как ртуть, могут проводить электричество с нулевым сопротивлением. При температуре 1-2 кельвина выше абсолютного нуля. Явление, которое он назвал сверхпроводимостью . Это то самое свойство, которое позволяет использовать некоторые из самых передовых современных технологий. Такие как аппараты МРТ, поезда с магнитной левитацией и коллайдеры частиц.

 

 

 

Наследие Джеймса Дьюара

Несмотря на его значительный вклад в науку, сэр Джеймс Дьюар никогда не был удостоен Нобелевской премии. Хотя получил девять номинаций. Вместо этого научная добыча досталась людям, которые основывались на его работе. Например, лорд Рэлей и сэр Уильям Рамзи использовали жидкий водород Дьюара в качестве инструмента для открытия элементов ксенон, неон и криптон, и они получили премию 1904 года по химии.

Дьюар никогда не уходил на пенсию и занимал должность профессора химии в Королевском институте до своей смерти 27 марта 1923 года. Большинство ученых сегодня все еще называют эти сосуды “Дьюарами” в его честь.

В 1937 году исследователи Петр Капица и Джон Ф. Аллен впервые официально наблюдали и описывали странное сверхтекучее состояние жидкого гелия. Они обнаружили, что при охлаждении жидкого гелия ниже лямбда-точки жидкость внезапно становится, устрашающе неподвижной. И приобретает странные свойства. Отдельные атомы гелия сливаются друг с другом и становятся единым “суператомом”. Также известным как частичная конденсация Бозе-Эйнштейна (БЭК).

 

Наследие Джеймса Дьюара

 

Границы физических законов

Сегодня исследователи работают с температурами ниже одного градуса Кельвина при чрезвычайно высоких давлениях. Чтобы превратить гелий в лед, что в конечном итоге может выявить невиданное ранее сверхтвердое состояние.

Если теория окажется верной, сверхтвердые тела могут посмеяться над самим понятием твердости. Поскольку они также будут подчиняться принципу неопределенности. Кусок гелиевого льда будет вести себя как единый твердый и ошеломляюще скользкий атом. Но это совсем другая история.

Самая низкая температура, когда-либо полученная на Земле, была достигнута в 2003 году. Когда ученые Массачусетского технологического института охладили облако атомов натрия до 0,45 нанокельвина. Примерно на половину миллиардной кельвина выше абсолютного нуля. С помощью лазеров, испарительного охлаждения и “гравитомагнитные ловушки”.

 

Границы физических законов

 

Современные ученые уверены, что абсолютный ноль сам по себе является абсолютно недостижимой температурой. Так как потребовалось бы бесконечное количество времени и энергии. Чтобы выжать последнюю крошечную долю тепловой энергии. Тем не менее, нет ничего круче, чем увидеть, как наука упирается в самые границы физических законов Вселенной. И увидеть, как странно они там себя ведут.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
admin/ автор статьи
Загрузка ...
Дневник истории