Низкие температуры
«Наука и жизнь» № 6, 1942 год
Мы говорим: «на улице мороз — термометр показывает 30° ниже ноля» или «в комнате тепло — температура в ней 18° тепла».
Эти слова — «выше ноля» и «ниже ноля», или «градусы тепла» и «градусы холода» — далеко не всегда соответствуют нашим обычным представлениям о тепле и о холоде. Никто не станет утверждать, что температура в 1° тепла соответствует теплой комнате, и только тогда, когда термометр падает ниже ноля, в комнате становится действительно холодно.
Точка «ноль» на нашем термометре выбрана довольно условно; она соответствует температуре, при которой замерзает вода. Всякому ясно, что когда термометр показывает ноль, это вовсе не означает, что тело вовсе не содержит тепла. В этом смысле температура ноль ничем не отличается от температур выше и ниже нуля.
Совершенно то же мы имеем, когда говорим о том, что номер журнала, который лежит перед вами, вышел в 1942 году. Мы не придаем числу 1942 такого же буквального смысла, как например, если бы мы говорили о том, что какая-то вещь стоит 1942 рубля. Оно отмечает лишь, что от некоего, весьма условно выбранного, момента прошло 1942 года. Историки привыкли говорить о годах до нашей эры и годах после нашей эры совершенно так же, как мы говорим о температурах выше и ниже нуля, и хотя совершенно ясно, что год начала нашей эры ничем не замечателен и с таким же успехом можно было бы отсчитывать годы от любого другого момента, тем не менее такой счет лет ни для кого не представляет неудобств, лишь бы только этот счет был принят всеми.
Но если бы вы, указывая возраст, отсчитывали свою жизнь не от дня рождения, а, скажем, от момента, когда вам минуло 7 лет, то такой метод определения возраста был бы неудобен, хотя ничего противоречивого в нем не было бы, ибо число, показывающее сколько времени прошло с этого момента, одновременно указывало бы и сколько лет тому назад вы родились (для этого надо просто прибавить к этому числу еще 7 лет). Обычно никто так не поступает, ибо возраст в 7 лет ничем не замечателен, и значительно логичнее отсчитывать возраст от того момента, когда человек начал свое существование.
Ноль температуры Цельсия — это такая же условная точка. Естественно возникает вопрос о том, нельзя ли и при измерении температуры найти такую температуру, которую было бы столь же логично выбрать за ноль, как в случае возраста момент рождения человека.
Для того, чтобы на этот вопрос ответить, надо знать, что такое температура, что происходит с телом, когда его нагревают.
Хорошо известно, что если бить молотком по куску металла, то этот кусок нагреется. Что же в нем происходит? Энергия ударяющего молотка передается атомам, из которых состоит металл, атомы начинают двигаться быстрее, скорость их движения возрастает.
Это мы и воспринимаем как повышение температуры. Чем выше температура какого-нибудь тела, тем интенсивнее двигаются его атомы. Наоборот, когда температура тела понижается, то это значит, что уменьшилась скорость движения его атомов.
Но если температура так связана с движением атомов, то вполне естественно считать, что тело имеет температуру ноль тогда, когда его атомы вовсе не двигаются. Это ведь означает, что тело вовсе не содержит тепла. Естественно эту температуру, при которой тело совсем не содержит тепла, принять равной нулю. Такой ноль называют «абсолютным нолем», а температуру, отсчитываемую от этого ноля, называют «абсолютной температурой».
Косвенными способами было установлено, что абсолютный ноль соответствует температуре в 273,2° ниже ноля по термометру Цельсия. Это значит, что для того, чтобы перевести градусы Цельсия в абсолютные, надо к ним прибавить 273,2°. Так, например, температура замерзания воды равна 273,2° абсолютных*, а температура кипения 373,2°.
При измерении температуры в абсолютных градусах не существует температур ниже ноля. Говорить о температуре ниже абсолютного ноля, например о температуре в –275° по Цельсию, столь же бессмысленно, как спрашивать о том, что делал 25 лет тому назад человек, которому сейчас 20 лет.
Таким образом, абсолютный ноль есть самая низкая температура, которая только может существовать. Можно ли в действительности довести тело до температуры абсолютного ноля? Оказывается, что нет. Получить абсолютный ноль невозможно, можно только как угодно близко к нему подходить.
Представим себе, что нам надо выкачать воздух из какого-нибудь сосуда. Мы приключаем для этого наш сосуд к воздушному насосу. Сможем ли мы как-нибудь выкачать из этого сосуда весь воздух без остатка? Очевидно, нет. Сколько бы мы его ни выкачивали, всегда в сосуде останется некоторое, хотя бы и очень маленькое количество воздуха. Мы можем получать все большие и большие разрежения, но никогда не выкачаем весь воздух до последней молекулы.
Аналогично этому обстоит дело и с достижением абсолютного ноля. Мы можем все больше и больше понижать температуру тела, все больше и больше замедлять движение его атомов, но отнять у тела все тепло, полностью остановить его атомы мы не можем. У тела всегда останется некоторое, хотя бы очень небольшое, количество тепла, и его температура всегда, хотя бы не на много, будет отличаться от абсолютного ноля.
Каким же образом достигаются низкие температуры? Какие температуры умеют сейчас получать?
Самая низкая температура, какая встречается в природе, это 68° ниже ноля по Цельсию, или около 204° абсолютных. Такой мороз был отмечен на полюсе холода, в городе Верхоянске, находящемся в Сибири**.
** На сегодняшний день самая низкая температура, официально зафиксированная на Земле, составляет −89,2 °C. Она была измерена на станции «Восток» в Антарктиде 21 июля 1983 года. — Прим. ред., 2025 г.
Физики умеют получать значительно более низкие температуры. Самая низкая температура, которая была получена в лаборатории (как она была получена — об этом речь ниже), отличается от абсолютного ноля всего на 44 десятитысячных доли градуса***. Комнатная температура (около 300° абсолютных) превышает эту температуру более чем в 60 тысяч раз.
*** На 2021 год самая низкая температура в лаборатории на 38 триллионных доли градуса выше абсолютного нуля. — Прим. ред., 2025 г.
Интересно отметить, что в сторону высоких температур достижения физиков более скромны. Самую высокую температуру удалось получить Андерсону, который пропускал ток очень большой силы через тоненькую проволочку. Проволочка, конечно, моментально сгорала, но при этом создавалась температура в 20 000°. Однако эта колоссальная температура превышает комнатную «всего» в 70 раз.
Способов получения низких температур довольно много. Самым старым из них пользуются обычно при изготовлении мороженого. Известно, что при этом в лед для понижения его температуры прибавляют обыкновенную поваренную соль. Дело заключается здесь в том, что раствор соли в воде замерзает при температуре более низкой, чем температура замерзания чистой воды. Когда мы прибавляем ко льду соль, то образуется соляный раствор, который не замерзает, так как температура недостаточно низка для этого. При этом часть льда превращается в воду, которая и растворяет соль. Но для того, чтобы лед растаял, тратится тепло. Поэтому остающийся лед будет охлаждаться. Это охлаждение будет происходить до тех пор, пока температура не понизится настолько, что замерзнет сам соляной раствор. Охлаждение солью было в свое время единственным способом понижения температуры. Фаренгейт в 1714 году, выбирая для ноля своего термометра самую низкую температуру, вынужден был воспользоваться для этого смесью соли со льдом, имевшей температуру всего лишь –18° по Цельсию.