Выше абсолютного нуля

Самая холодная реакция во Вселенной

Какая самая низкая реальная температура во Вселенной? Похоже, на этот вопрос недавно смогли ответить исследователи из Гарвардского университета. Им удалось провести обменную химическую реакцию между двухатомными молекулами калия и рубидия при температуре в 500 нанокельвин, что соответствует нескольким миллионным долям градуса выше абсолютного нуля.

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.

Ида ШАХОВСКАЯ