Абсолютный нуль (или ноль) не имеет никакого отношения к обычной нулевой температуре в нашем понимании, границе между теплом и холодом. Так называют минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело. Причем не только на Земле - во всей Вселенной. Значение, ниже которого температура уже не падает. А почему тогда нуль? Потому что это значение служит началом отсчета абсолютной температурной шкалы, такой, как, например, шкала Кельвина.
Первая попытка создать подобную систему отсчета температуры была предпринята в 1703 году французским физиком Гийомом Амонтоном. Ученый изобрел воздушный термометр. На шкале прибора за нуль принималось температурное значение, при котором воздух «теряет свою упругость». Оно составляло -239,5 градуса по Цельсию. В 1779 году немецкий коллега Амонтона Иоганн Хейнрих Ламберт опубликовал работу «Пирометрия», в которой скорректировал погрешности и уточнил полученное его предшественником значение - теперь оно составило -270 градусов по Цельсию. В 1954 году X Генеральной конференцией по мерам и весам была установлена термодинамическая температурная шкала с одной реперной точкой - тройной точкой воды, которой соответствовала температура -273,16 кельвина (0,01 градуса по Цельсию). Таким образом, абсолютному нулю соответствует температура, которая составляет приблизительно -273,15 градуса по Цельсию или -459,67 градуса по Фаренгейту. При близких к этому значениях вещество на квантовом уровне обретает такие свойства, как сверхпроводимость и сверхтекучесть.
Определить, что температура достигла абсолютного нуля, можно, наблюдая за физическими явлениями, которые происходят с данным веществом. В частности, если верить кинетической теории теплоты, предложенной некогда великим русским ученым М.В.Ломоносовым, энергия теплового движения молекул и атомов вещества при достижении абсолютного нуля должна «заморозиться», то есть прекращается хаотичное движение частиц, и они образуют упорядоченную структуру. Но на деле считается, что в рамках термодинамики достичь температуры, соответствующей значениям абсолютного нуля, невозможно. И при крайне низких температурах все-таки продолжаются колебания, обусловленные квантовыми свойствами частиц и окружающего их физического вакуума.
Охлаждение вещества до сверхнизких температур играет важную роль во многих аспектах физики и техники, например в экспериментах по проверке воздействия квантового вакуума на твердое тело или моделировании нестандартных физических систем. Чтобы достичь таких значений, чаще всего применяют лазерный способ: облако атомов «запирают» в магнитную ловушку, охлаждая его с помощью лазерного излучения. Но этот процесс имеет свой фундаментальный предел, который называют доплеровским. До недавних пор удавалось успешно охлаждать до минимальных значений в магнитно-оптических ловушках лишь отдельные атомы, но не молекулы, так как у последних более сложная энергетическая структура.
Преодолеть доплеровский предел впервые удалось в 2017 году экспертам из Центра холодной материи в Имперском колледже Лондона. Они смогли охладить молекулы фторида кальция до 50‑миллионной доли кельвина при доплеровском пределе около 200 микрокельвин.
В конце прошлого года команда гарвардских специалистов под руководством профессора Кан-Куэнь Ни применила экстремальное охлаждение в процессе химической реакции между молекулами калия и рубидия. Вначале ученые создавали газ из молекул, которые находились в их обычном состоянии. Затем концентрированные частицы этого газа помещали в оптическую ловушку, где между молекулами начинали происходить реакции.
В чем суть химической реакции? Несколько веществ при определенных условиях начинают взаимодействовать друг с другом. Результаты этого взаимодействия могут быть разными в зависимости от свойств веществ. Однако ни одна реакция не протекает мгновенно, все они проходят в несколько этапов. В процессе взаимодействия сначала образуются некие промежуточные соединения, также обладающие определенными свойствами. Но, как правило, такие реакции протекают настолько быстро - в течение пикосекунд, - что невозможно отследить появление этих временных соединений. А ведь знать о них крайне важно с точки зрения теории, скажем, для описания механизма ускорения реакций при катализе.
Охлаждение вещества до экстремально низких температур во время опытов в Гарварде способствовало достижению минимально возможного состояния энергии. Скорость реакции была такой низкой - порядка микросекунды, что специалисты смогли зафиксировать момент разрушения существующих химических связей между молекулами и формирования новых.
По словам авторов исследования, этот эффект доказывает возможность новаторских экспериментов, которые помогут детально определить роль квантовой механики в протекании химических реакций. В частности, они позволят точно измерить время существования промежуточных соединений в ходе такой реакции, а также исследовать квантовую структуру всех участвующих в ней веществ. Результаты исследований, безусловно, найдут применение в самых различных сферах, в том числе в разработке квантовых компьютеров.