Абсолютный ноль: гонка за рекордами

Долгое время считалось, что существуют «неконденсируемые» газы — вещества, которые невозможно перевести в жидкое состояние. Однако упорство нескольких поколений физиков и инженеров опровергло это убеждение. Погоня за всё более низкими температурами стала одной из самых захватывающих страниц в истории науки — гонкой, в которой каждый следующий шаг открывал не только новые рекорды, но и совершенно неизведанные физические явления.

Истоки: первые шаги к холоду

Начало низкотемпературных исследований принято отсчитывать с 1877 года, когда французский инженер Луи Поль Кайете и швейцарский физик Рауль Пикте независимо друг от друга получили первые капли жидкого воздуха. К тому моменту учёные уже умели сжижать углекислый газ, аммиак и другие вещества, но кислород, азот и водород оставались «непреодолимым барьером». Кайете удалось достичь температуры около –140 °C, что стало серьёзным достижением для своего времени.

В 1883 году польские учёные Зигмунт Врублевский и Кароль Ольшевский усовершенствовали методику и добились сжижения азота и кислорода в заметных количествах, достигнув температуры около 48 К (–225 °C). Однако самый «непокорный» газ — водород — всё ещё оставался газообразным. Его критическая температура составляет всего 33 К, и для сжижения требовались принципиально новые технические решения.

Джеймс Дьюар: покоритель водорода

Шотландский химик и физик Джеймс Дьюар, профессор Королевского института в Лондоне, посвятил годы созданию установки, способной справиться с водородом. Его главным изобретением стал сосуд Дьюара — вакуумная колба с двойными стенками, известная сегодня как термос. Это устройство позволяло длительное время сохранять низкие температуры, что было критически важно для экспериментов.

В 1898 году Дьюар достиг долгожданного успеха. Пропуская водород, предварительно охлаждённый до –205 °C под давлением 180 атмосфер, через специальную систему, он получил первые капли жидкого водорода. В отчёте перед Лондонским химическим обществом он сообщил, что за пять минут удалось собрать 20 мл жидкости, а через два дня — уже 50 мл.

«Все известные газы теперь сконденсированы в жидкости, которыми можно манипулировать при температурах кипения под атмосферным давлением в соответствующих вакуумных сосудах, — заявил Дьюар. — Используя водород как охлаждающий агент, можно приблизиться к абсолютному нулю на 20–30 градусов, что открывает совершенно новую область научных исследований».

Гейке Камерлинг-Оннес: король холода

Следующий этап гонки связан с именем голландского физика Гейке Камерлинг-Оннеса. В 1904 году он создал в Лейдене специальную криогенную лабораторию, поставив перед собой амбициозную задачу: сжижить последний оставшийся «вечный» газ — гелий. Гелий имеет самую низкую температуру кипения среди всех веществ — всего 4,2 К (–268,95 °C), и его сжижение считалось едва ли не недостижимой целью.

Камерлинг-Оннес использовал каскадный метод, основанный на эффекте Джоуля-Томсона — охлаждении газа при его адиабатическом дросселировании. 10 июля 1908 года его установка наконец заработала. В 6 часов утра начался эксперимент; к 9 часам утра температура была снижена до 6 К, а к 10:30 — до 4 К. Когда гелий начал конденсироваться, исследователь смог собрать около 60 мл жидкого гелия. Это был триумф: впервые человек достиг температуры, которую невозможно встретить в природе — естественный космический фон составляет всего 3 К, но и это значение было превзойдено.

Позже Камерлинг-Оннес усовершенствовал установку, научившись откачивать пары жидкого гелия, и достиг температуры 1,5 К. В 1913 году он был удостоен Нобелевской премии по физике «за исследования свойств вещества при низких температурах, приведшие, в частности, к получению жидкого гелия».

Однако его открытия на этом не закончились. Работая с жидким гелием, он обнаружил, что сопротивление ртути при 4,2 К внезапно падает до нуля. Так была открыта сверхпроводимость — явление, которое спустя столетие лежит в основе магнитов МРТ, ускорителей частиц и квантовых компьютеров.

Капица: сверхтекучесть

Следующее великое открытие произошло в 1937 году, когда советский физик Пётр Капица, работавший в Кембридже (а затем и в Москве), обнаружил, что жидкий гелий-4 при температуре ниже 2,17 К (λ-точка) приобретает удивительное свойство: его вязкость становится практически нулевой.

Жидкость, получившая название гелий-II, способна протекать через мельчайшие капилляры без какого-либо сопротивления, подниматься по стенкам сосуда и вытекать наружу вопреки силе тяжести (так называемый «фонтанирующий эффект»). Капица назвал это явление сверхтекучестью.

За это открытие Капица был удостоен Нобелевской премии по физике в 1978 году. Теоретическое объяснение сверхтекучести дал Лев Ландау, создавший двухжидкостную модель, согласно которой гелий-II состоит из двух взаимопроникающих компонентов: нормального (с вязкостью) и сверхтекучего (с нулевой вязкостью).

Вглубь: милли- и микрокельвины

После достижения температуры кипения гелия учёные не остановились. Откачка паров гелия позволила опуститься до 1 К. Однако для проникновения в область милликельвинов потребовались новые методы.

В 1926 году Петер Дебай и Уильям Джиок независимо предложили метод адиабатического размагничивания парамагнитных солей. Принцип основан на том, что магнитные моменты ионов в парамагнетике при наложении поля упорядочиваются, выделяя тепло; после изоляции системы и снятия поля упорядочение нарушается, что приводит к поглощению тепла и охлаждению. К 1933 году этим методом удалось достичь 0,25 К, а в 1953 году — 2 милликельвинов.

Следующим важным этапом стало создание в 1960-х годах рефрижератора растворения (дилюционного холодильника), работающего на смеси изотопов гелия-3 и гелия-4. Этот метод позволил непрерывно поддерживать температуру в несколько милликельвинов и стал стандартом для экспериментов по сверхпроводимости и физике конденсированного состояния.

Ядерное размагничивание и субмилликельвины

Ещё в 1934 году Корнелис Гортер, а также Николас Курти и Фрэнсис Саймон предложили использовать для охлаждения ядерные, а не электронные магнитные моменты. Ядерные моменты примерно в 2000 раз слабее электронных, что позволяет достигать существенно более низких температур — но и создаёт огромные технические сложности.

Первый успешный эксперимент по ядерному охлаждению провели Курти и его коллеги в 1956 году, охладив ядра меди до температуры около 1 микрокельвина. Однако главная проблема заключалась в том, что охлаждались только сами ядра, а электроны и кристаллическая решётка оставались при стартовой температуре в 12 мК, и за счёт теплопритока ядра нагревались в течение нескольких минут.

Технология была доведена до совершенства в 1970–1980-х годах группой финского физика Олли Лунасамаа в Хельсинкском технологическом университете. Используя каскад из дилюционного холодильника и ядерной ступени на меди, они достигли стабильных температур на уровне десятков микрокельвинов.

Атомные и оптические методы: нанокельвины

В 1990-е годы произошла настоящая революция в методах сверхохлаждения, связанная с лазерным охлаждением атомов. В 1995 году Эрик Корнелл, Карл Виман и Вольфганг Кеттерле (удостоенные Нобелевской премии в 2001 году) впервые получили конденсат Бозе-Эйнштейна — новое агрегатное состояние вещества, в котором атомы, охлаждённые до температур около 20 нанокельвинов, коллективно занимают одно квантовое состояние. Это открытие дало возможность изучать квантовые эффекты в макроскопических масштабах.

В 2000 году в Технологическом университете Хельсинки были достигнуты температуры ядерных спинов ниже 100 пикокельвинов — 10⁻¹⁰ К. При этом важно понимать, что такая температура относится только к одной конкретной степени свободы — ядерным спинам, а не к системе в целом, и понятие «температура» на таких уровнях становится многогранным.

Что такое абсолютный ноль и почему его нельзя достичь

Согласно третьему началу термодинамики, сформулированному Вальтером Нернстом в 1906 году (теорема Нернста), невозможно достичь абсолютного нуля температуры за конечное число шагов. Абсолютный ноль (0 К, –273,15 °C) — это состояние, в котором все тепловые движения молекул и атомов прекращаются, а система находится в основном квантовом состоянии с минимально возможной энергией (энергией нулевых колебаний).

Практически это означает, что чем ближе мы подходим к абсолютному нулю, тем сложнее отводить последние остатки тепла и тем больше времени требуют процессы охлаждения. Тем не менее, современные методы позволяют приблизиться к этому пределу с невероятной точностью — на расстояние, сравнимое с миллионными долями градуса.

Гонка за абсолютным нулём продолжалась более века. Каждый шаг на этом пути требовал не только технической изобретательности, но и глубокого понимания физики. И каждый шаг открывал неожиданные явления: сверхпроводимость, сверхтекучесть, конденсат Бозе-Эйнштейна.

Сегодня сверхнизкие температуры — не просто цифры лабораторий. Они лежат в основе квантовых компьютеров, сверхчувствительных детекторов, медицинской диагностики и космических исследований. И, вероятно, главные открытия на этом пути ещё впереди.