Невозможно за конечное время довести температуру тела до абсолютного нуля.

Абсолютный ноль — это одна из концепций с интригующим названием и обманчиво простым определением. До наступления эры квантовой механики определение абсолютного нуля действительно было предельно простым. Молекулярно-кинетическая теория выявила статистическую связь между движениями атомов и молекул и температурой, и природу температуры стало возможно представить наглядно: чем быстрее движутся молекулы, тем выше температура, и наоборот. При такой картине нетрудно догадаться, что имеется нижний предел температуры, по достижении которого атомы и молекулы перестают двигаться окончательно. Значение абсолютного нуля оказалось равным –273°C.

В рамках квантовой механики значение абсолютного нуля не изменилось, однако в корне изменилось наше представление о том, как ведут себя атомы. Если бы атомы просто остановились как вкопанные, мы бы, в таком случае, могли одновременно измерить их скорость и местоположение с абсолютной точностью, а это — нарушение принципа неопределенности Гейзенберга. Поэтому даже при абсолютном нуле атом должен представляться нам слегка расплывчатым, если использовать волновое представление о нем, или слегка колеблющимся, если использовать корпускулярную концепцию. Поэтому нам следует говорить, что при абсолютном нуле атом не прекращает всякое движение, а лишь приходит в такое колебательное состояние, при котором он более не способен отдавать энергию вовне (такая остаточная энергия атома называется энергией нулевой точки). Конечный же итог, с макроскопической точки зрения, остается неизменным: имеется минимальное значение возможной температуры вещества, и оно равно всё тем же –273°С.

На самом деле, существование энергии нулевой точки хорошо иллюстрирует весьма интересный момент в квантовой теории. При стремлении температуры к абсолютному нулю волновая природа материи (см. Уравнение Шрёдингера) становится всё очевиднее и важнее, а квантово-механические эффекты начинают преобладать над эффектами классической механики, при которых атом ведет себя подобно бильярдному шару.

Так получилось, что –273°С — единственная температура, фигурирующая в фундаментальных физических законах. Она же используется и в определении температурной шкалы Кельвина, которая в основном используется в точных науках. За ноль в ней принимается абсолютный ноль, а единичное деление шкалы принимается равным 1° по привычной шкале Цельсия. Таким образом, по шкале Кельвина абсолютный ноль равен 0 К, точка замерзания воды приходится на 273 К, а комнатная температура составляет около 300 К.

Третье начало термодинамики просто констатирует, что абсолютный ноль недостижим — и в этом он похож на скорость света: материальное тело может сколь угодно близко подойти к нему, но достичь — никогда. Дело в том, что чем ближе система подходит к абсолютному нулю температуры, тем больше работы нужно затратить на ее дальнейшее охлаждение. На самом деле, в лабораторных условиях ученым удавалось получать температуры предельно близкие к нулевой. Сегодня температуры, отстоящие от абсолютного нуля на миллиардные доли градуса, можно получить практически в любой криогенной лаборатории.

Способов понижения температуры материального тела имеется достаточно много. Можно испарять жидкость с его поверхности, и она будет отнимать теплоту у тела — именно поэтому люди потеют в жару. Можно резко расширять газ, находившийся под высоким давлением, — вот почему охлаждается аэрозольный баллончик, когда вы долго выпускаете из него содержимое. Подобными методами ученые доводят температуру до уровня нескольких градусов выше абсолютного нуля. Однако чтобы получить по-настоящему сверхнизкие температуры, приходится надолго подвешивать незначительное количество атомов вещества в сильных электростатических и магнитных полях. После этого подвешенные атомы обрабатываются лазерным лучом определенной длины волны, который сначала заставляет атомы испустить остатки энергии возбужденных электронов в виде световых квантов, а затем — разогнать атомы врозь, как бы распрыскать их из аэрозольного баллончика. Именно так сегодня получаются температуры порядка нескольких нанокельвинов (1нК = 10^–9 К). Однако, как далеко ни пошло бы развитие нашей техники, третье начало термодинамики говорит нам, что мы не только не перейдем барьера абсолютного нуля, но даже не достигнем его.

Один физик с хорошим чувством юмора дал собственные формулировки трех начал термодинамики:

Первое начало термодинамики: Вам не выиграть.

Второе начало термодинамики: Вам не сыграть вничью.

Третье начало термодинамики: Вам даже сыграть не дадут.

Энергия нулевой точки

Бильярдный шар, катящийся по столу, рано или поздно остановится, израсходовав свою кинетическую энергию на преодоление силы трения, при этом энергия движения шара перейдет в тепло, — так утверждает первое начало термодинамики. На квантовую частицу (например, на электрон в атоме) это не распространяется в силу принципа неопределенности Гейзенберга. Этот принцип гласит, что невозможно точно и одновременно установить пространственные координаты и скорость квантовой частицы. Если бы электрон полностью остановился, мы бы могли зафиксировать и его положение, и его нулевую скорость, а это невозможно. Таким образом, квантовые частицы, в отличие от классических, всегда находятся в некоем вибрирующем движении, делающим их образ слегка размытым: они всегда где-то около своей центральной точки, и скорость их также постоянно колеблется. А это значит, что у квантовой частицы всегда имеется какая-то остаточная энергия.

Эта остаточная энергия нулевой точки, или нулевого уровня возбуждения, предсказываемая квантовой механикой, — явление весьма неожиданное и специфическое. Пожалуй, это единственный случай, когда энергия материальной частицы не может ни отдаваться вовне, ни изменяться. По сути, это минимальная энергия квантовой частицы, при которой не нарушаются законы квантовой механики. Расчет квантовой энергии нулевой точки обычно дает хорошее приближение энергии покоя частицы — например, электрона на нижней орбите в модели атома Бора, не требуя при этом громоздких вычислений, которые необходимы при более точных расчетах.