0 relatif. Qu'est-ce que le zéro absolu. Quelle est la valeur de la température zéro absolu et pourquoi elle ne peut pas être atteinte

Selon vous, où se trouve l'endroit le plus froid de notre univers ? Aujourd'hui, c'est la Terre. Par exemple, la température de surface de la lune est de -227 degrés Celsius et la température du vide qui nous entoure est de 265 degrés en dessous de zéro. Cependant, dans un laboratoire sur Terre, une personne peut atteindre des températures beaucoup plus basses afin d'étudier les propriétés des matériaux à des températures ultra-basses. Les matériaux, les atomes individuels et même la lumière soumis à un refroidissement extrême commencent à présenter des propriétés inhabituelles.

La première expérience de ce type a été réalisée au début du XXe siècle par des physiciens qui ont étudié les propriétés électriques du mercure à des températures ultra-basses. À -262 degrés Celsius, le mercure commence à présenter les propriétés de la supraconductivité, réduisant la résistance au courant électrique à presque zéro. D'autres expériences ont également révélé d'autres propriétés intéressantes des matériaux refroidis, notamment la superfluidité, qui s'exprime par la "fuite" de matière à travers des cloisons solides et hors de conteneurs fermés.

La science a déterminé la température la plus basse réalisable - moins 273,15 degrés Celsius, mais pratiquement une telle température est inaccessible. En pratique, la température est une mesure approximative de l'énergie contenue dans un objet, donc le zéro absolu indique que le corps ne rayonne rien, et aucune énergie ne peut être extraite de cet objet. Mais malgré cela, les scientifiques tentent de se rapprocher le plus possible de la température zéro absolu, le record actuel a été établi en 2003 dans le laboratoire du Massachusetts Institute of Technology. Les scientifiques n'étaient qu'à 810 milliardièmes de degré du zéro absolu. Ils refroidissaient un nuage d'atomes de sodium maintenus en place par un puissant champ magnétique.

Il semblerait - quelle est la signification appliquée de telles expériences? Il s'avère que les chercheurs s'intéressent à un concept tel que le condensat de Bose-Einstein, qui est un état spécial de la matière - pas un gaz, solide ou liquide, mais simplement un nuage d'atomes avec le même état quantique. Cette forme de matière a été prédite par Einstein et le physicien indien Satyendra Bose en 1925, et n'a été obtenue que 70 ans plus tard. L'un des scientifiques qui a atteint cet état de la matière est Wolfgang Ketterle, qui a reçu le prix Nobel de physique pour sa découverte.

L'une des propriétés remarquables du Bose-Einstein Condensate (BEC) est la capacité de contrôler le mouvement des rayons lumineux. Dans le vide, la lumière se déplace à 300 000 km par seconde, soit la vitesse la plus rapide réalisable dans l'univers. Mais la lumière peut se propager plus lentement si elle ne se propage pas dans le vide, mais dans la matière. Avec l'aide de BEC, il est possible de ralentir le mouvement de la lumière à basse vitesse, et même de l'arrêter. En raison de la température et de la densité du condensat, l'émission lumineuse ralentit et peut être "captée" et convertie directement en courant électrique. Ce courant peut être transféré vers un autre nuage BEC et reconverti en rayonnement lumineux. Cette fonctionnalité est très demandée pour les télécommunications et l'informatique. Ici, je ne comprends pas un peu - après tout, il existe DÉJÀ des appareils qui convertissent les ondes lumineuses en électricité et vice versa ... Apparemment, l'utilisation de BEC permet d'effectuer cette conversion plus rapidement et plus précisément.

L'une des raisons pour lesquelles les scientifiques sont si désireux d'obtenir un zéro absolu est une tentative de comprendre ce qui se passe et s'est passé dans notre Univers, quelles lois thermodynamiques y opèrent. Dans le même temps, les chercheurs comprennent qu'il est pratiquement impossible d'extraire toute l'énergie jusqu'au bout de l'atome.

Qu'est-ce que le zéro absolu (plus souvent - zéro) ? Cette température existe-t-elle vraiment quelque part dans l'univers ? Pouvons-nous refroidir quoi que ce soit à zéro absolu dans la vraie vie ? Si vous vous demandez s'il est possible de distancer une vague de froid, explorons les limites extrêmes du froid...

Qu'est-ce que le zéro absolu (plus souvent - zéro) ? Cette température existe-t-elle vraiment quelque part dans l'univers ? Pouvons-nous refroidir quoi que ce soit à zéro absolu dans la vraie vie ? Si vous vous demandez s'il est possible de distancer une vague de froid, explorons les limites extrêmes du froid...

Même si vous n'êtes pas physicien, vous connaissez probablement le concept de température. La température est une mesure de la quantité d'énergie aléatoire interne dans un matériau. Le mot "interne" est très important. Lancez une boule de neige, et même si le mouvement principal sera assez rapide, la boule de neige restera assez froide. D'autre part, si vous regardez les molécules d'air qui volent dans une pièce, une molécule d'oxygène ordinaire frit à une vitesse de milliers de kilomètres par heure.

Nous avons tendance à être silencieux quand il s'agit de détails techniques, donc juste pour les experts, nous notons que la température est un peu plus compliquée que nous l'avions dit. La véritable définition de la température est la quantité d'énergie que vous devez dépenser pour chaque unité d'entropie (désordre, si vous voulez un meilleur mot). Mais passons aux subtilités et concentrons-nous simplement sur le fait que les molécules d'air ou d'eau aléatoires dans la glace se déplaceront ou vibreront de plus en plus lentement à mesure que la température baisse.

Le zéro absolu est -273,15 degrés Celsius, -459,67 degrés Fahrenheit et seulement 0 Kelvin. C'est le point où le mouvement thermique s'arrête complètement.

Est-ce que tout s'arrête ?

Dans l'examen classique de la question, tout s'arrête au zéro absolu, mais c'est à ce moment que le terrible museau de la mécanique quantique surgit au coin de la rue. L'une des prédictions de la mécanique quantique qui a entaché le sang d'un grand nombre de physiciens est qu'il est impossible de mesurer la position ou la quantité de mouvement exacte d'une particule avec une certitude parfaite. C'est ce qu'on appelle le principe d'incertitude de Heisenberg.

Si vous pouviez refroidir une pièce scellée au zéro absolu, des choses étranges se produiraient (plus à ce sujet dans un instant). La pression atmosphérique tomberait presque à zéro, et comme la pression atmosphérique s'oppose normalement à la gravité, l'air s'effondrerait en une couche très mince sur le sol.

Mais même ainsi, si vous pouvez mesurer des molécules individuelles, vous découvrirez quelque chose de curieux : elles vibrent et tournent, pas mal - l'incertitude quantique au travail. Pour mettre les points sur les i, si vous mesurez la rotation des molécules de dioxyde de carbone au zéro absolu, vous constaterez que les atomes d'oxygène tournent autour du carbone à une vitesse de plusieurs kilomètres par heure - beaucoup plus rapide que vous ne le pensiez.

La conversation s'arrête. Quand on parle du monde quantique, le mouvement perd son sens. À ces échelles, tout est défini par l'incertitude, donc ce n'est pas que les particules soient stationnaires, vous ne pouvez jamais les mesurer comme si elles étaient stationnaires.

Jusqu'où peut-on tomber ?

Aller au zéro absolu a essentiellement les mêmes problèmes que d'aller à la vitesse de la lumière. Il faut une quantité infinie d'énergie pour atteindre la vitesse de la lumière, et atteindre le zéro absolu nécessite une quantité infinie de chaleur à extraire. Ces deux processus sont impossibles, voire rien du tout.

Malgré le fait que nous n'ayons pas encore atteint l'état réel du zéro absolu, nous en sommes très proches (bien que « très » dans ce cas soit un concept très vague ; comme une comptine pour enfants : deux, trois, quatre, quatre et un demi, quatre sur une ficelle, quatre par un fil, cinq). La température la plus basse jamais enregistrée sur Terre était en Antarctique en 1983, à -89,15 degrés Celsius (184K).

Bien sûr, si vous voulez vous rafraîchir comme un enfant, vous devez plonger dans les profondeurs de l'espace. L'univers entier est inondé des restes de rayonnement du Big Bang, dans les régions les plus vides de l'espace - 2,73 degrés Kelvin, ce qui est légèrement plus froid que la température de l'hélium liquide, que nous avons pu obtenir sur Terre il y a un siècle.

Mais les physiciens à basse température utilisent les rayons congelés pour porter la technologie à un tout autre niveau. Cela peut vous surprendre que les faisceaux de gel prennent la forme de lasers. Mais comment? Les lasers doivent brûler.

C'est vrai, mais les lasers ont une caractéristique - on pourrait même dire un ultimatum : toute la lumière est émise à la même fréquence. Les atomes neutres ordinaires n'interagissent pas du tout avec la lumière à moins que la fréquence ne soit finement réglée. Si l'atome vole vers la source lumineuse, la lumière reçoit un décalage Doppler et passe à une fréquence plus élevée. Un atome absorbe moins d'énergie photonique qu'il ne le pourrait. Donc, si vous réglez le laser plus bas, les atomes en mouvement rapide absorberont la lumière, et l'émission d'un photon dans une direction aléatoire perdra un peu d'énergie en moyenne. Si vous répétez le processus, vous pouvez refroidir le gaz à moins d'un nanoKelvin, un milliardième de degré.

Tout devient plus extrême. Le record mondial de la température la plus froide est inférieur à un dixième de milliard de degrés au-dessus du zéro absolu. Les dispositifs qui y parviennent piègent les atomes dans des champs magnétiques. La "température" ne dépend pas tant des atomes eux-mêmes que du spin des noyaux atomiques.

Maintenant, pour rétablir la justice, il faut rêver un peu. Lorsque nous imaginons généralement quelque chose de gelé à un milliardième de degré, vous êtes sûr d'obtenir une image de molécules d'air qui gèlent sur place. On peut même imaginer un dispositif apocalyptique destructeur qui gèle les spins des atomes.

En fin de compte, si vous voulez vraiment faire l'expérience de basses températures, vous n'avez qu'à attendre. Après environ 17 milliards d'années, le fond de rayonnement dans l'Univers se refroidira à 1K. Dans 95 milliards d'années, la température sera d'environ 0,01K. Dans 400 milliards d'années, l'espace lointain sera aussi froid que l'expérience la plus froide sur Terre, et encore plus froid après cela.

Si vous vous demandez pourquoi l'univers se refroidit si rapidement, dites merci à nos vieux amis : l'entropie et l'énergie noire. L'univers est en mode d'accélération, entrant dans une période de croissance exponentielle qui se poursuivra pour toujours. Les choses vont geler très rapidement.

Quel est notre métier ?

Tout cela, bien sûr, est merveilleux, et battre des records est également agréable. Mais à quoi ça sert ? Eh bien, il existe de nombreuses bonnes raisons de comprendre les basses terres de la température, et pas seulement en tant que gagnant.

Les bons gars de l'Institut national des normes et de la technologie, par exemple, aimeraient simplement fabriquer des horloges sympas. Les normes de temps sont basées sur des choses comme la fréquence de l'atome de césium. Si l'atome de césium bouge trop, il y a une incertitude dans les mesures, ce qui finira par provoquer un dysfonctionnement de l'horloge.

Mais plus important encore, en particulier d'un point de vue scientifique, les matériaux se comportent de manière insensée à des températures extrêmement basses. Par exemple, tout comme un laser est constitué de photons synchronisés les uns avec les autres - à la même fréquence et à la même phase -, le matériau connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein peut être créé. Dans celui-ci, tous les atomes sont dans le même état. Ou imaginez un amalgame dans lequel chaque atome perd son individualité et la masse entière réagit comme un super-atome nul.

À très basse température, de nombreux matériaux deviennent superfluides, ce qui signifie qu'ils peuvent être complètement visqueux, s'empiler en couches ultrafines et même défier la gravité pour atteindre un minimum d'énergie. Même à basse température, de nombreux matériaux deviennent supraconducteurs, ce qui signifie qu'ils n'ont aucune résistance électrique.

Les supraconducteurs sont capables de répondre aux champs magnétiques externes de manière à les annuler complètement à l'intérieur du métal. En conséquence, vous pouvez combiner la température froide et l'aimant et obtenir quelque chose comme la lévitation.

Pourquoi y a-t-il un zéro absolu mais pas de maximum absolu ?

Regardons l'autre extrême. Si la température n'est qu'une mesure de l'énergie, alors vous pouvez simplement imaginer que les atomes se rapprochent de plus en plus de la vitesse de la lumière. Ça ne peut pas durer indéfiniment, n'est-ce pas ?

Il y a une réponse courte : nous ne savons pas. Il est tout à fait possible qu'il existe littéralement une température infinie, mais s'il existe une limite absolue, l'univers primitif fournit des indices assez intéressants sur ce que c'est. La température la plus élevée qui ait jamais existé (du moins dans notre univers) s'est probablement produite à l'époque dite de "Planck".

C'était un moment 10 ^ -43 secondes après le Big Bang, lorsque la gravité s'est séparée de la mécanique quantique et de la physique est devenue exactement ce qu'elle est maintenant. La température à cette époque était d'environ 10 ^ 32 K. C'est un septillion de fois plus chaud que l'intérieur de notre Soleil.

Encore une fois, nous ne savons pas du tout s'il s'agit de la température la plus chaude de tous les temps. Parce que nous n'avons même pas un grand modèle de l'univers à l'époque de Planck, nous ne sommes même pas sûrs que l'univers bouillait à cet état. Dans tous les cas, nous sommes plusieurs fois plus proches du zéro absolu que de la chaleur absolue.

La température zéro absolue correspond à 273,15 degrés Celsius sous zéro, 459,67 sous zéro Fahrenheit. Pour l'échelle de température Kelvin, cette température elle-même est le zéro.

L'essence de la température zéro absolu

Le concept de zéro absolu vient de l'essence même de la température. Tout corps qui cède à l'environnement extérieur au cours de . Dans ce cas, la température corporelle diminue, c'est-à-dire il reste moins d'énergie. Théoriquement, ce processus peut continuer jusqu'à ce que la quantité d'énergie atteigne un tel minimum auquel le corps ne peut plus la donner.
Un signe avant-coureur lointain d'une telle idée peut déjà être trouvé chez M.V. Lomonosov. Le grand scientifique russe a expliqué la chaleur par un mouvement "rotatif". Par conséquent, le degré limite de refroidissement est un arrêt complet d'un tel mouvement.

Selon les concepts modernes, la température zéro absolu est celle à laquelle les molécules ont le niveau d'énergie le plus bas possible. Avec moins d'énergie, c'est-à-dire à une température plus basse, aucun corps physique ne peut exister.

Théorie et pratique

La température zéro absolu est un concept théorique, il est impossible de l'atteindre en pratique, en principe, même dans les conditions des laboratoires scientifiques dotés des équipements les plus sophistiqués. Mais les scientifiques parviennent à refroidir la matière à des températures très basses, proches du zéro absolu.

À de telles températures, les substances acquièrent des propriétés étonnantes qu'elles ne peuvent pas avoir dans des circonstances ordinaires. Le mercure, appelé "argent vivant" en raison de son état quasi liquide, devient solide à cette température, au point de pouvoir enfoncer des clous. Certains métaux deviennent cassants, comme le verre. Le caoutchouc devient tout aussi dur. Si un objet en caoutchouc est frappé avec un marteau à une température proche du zéro absolu, il se brisera comme du verre.

Un tel changement de propriétés est également associé à la nature de la chaleur. Plus la température du corps physique est élevée, plus les molécules se déplacent de manière intense et chaotique. Lorsque la température diminue, le mouvement devient moins intense et la structure devient plus ordonnée. Ainsi, le gaz devient un liquide et le liquide devient un solide. Le niveau limite d'ordre est la structure cristalline. Aux températures ultra-basses, il est acquis même par des substances qui, à l'état normal, restent amorphes, par exemple le caoutchouc.

Des phénomènes intéressants se produisent avec les métaux. Les atomes du réseau cristallin vibrent avec une amplitude plus faible, la diffusion des électrons diminue, donc la résistance électrique diminue. Le métal acquiert une supraconductivité dont l'application pratique semble très tentante, quoique difficile à réaliser.

> Zéro absolu

Apprenez ce qui est égal température du zéro absolu et la valeur d'entropie. Découvrez quelle est la température du zéro absolu sur les échelles Celsius et Kelvin.

Zéro absolu– température minimale. C'est la marque à laquelle l'entropie atteint sa valeur la plus basse.

Tâche d'apprentissage

• Comprenez pourquoi le zéro absolu est un indicateur naturel du point zéro.

Points clés

• Le zéro absolu est universel, c'est-à-dire que toute matière est à l'état fondamental avec cet indicateur.
• K a une énergie mécanique quantique nulle. Mais dans l'interprétation, l'énergie cinétique peut être nulle, et l'énergie thermique disparaît.
• La température la plus basse possible dans des conditions de laboratoire a atteint 10-12 K. La température naturelle minimale était de 1 K (expansion des gaz dans la nébuleuse du Boomerang).

termes

• L'entropie est une mesure de la distribution uniforme de l'énergie dans un système.
• La thermodynamique est une branche de la science qui étudie la chaleur et sa relation avec l'énergie et le travail.

Le zéro absolu est la température minimale à laquelle l'entropie atteint sa valeur la plus basse. C'est-à-dire qu'il s'agit du plus petit indicateur pouvant être observé dans le système. Il s'agit d'un concept universel qui agit comme un point zéro dans le système d'unités de température.

Graphique de la pression en fonction de la température pour différents gaz à volume constant. Notez que toutes les parcelles sont extrapolées à une pression nulle à une température.

Un système au zéro absolu est toujours doté d'une énergie mécanique quantique nulle. Selon le principe d'incertitude, la position des particules ne peut pas être déterminée avec une précision absolue. Si une particule est déplacée au zéro absolu, elle a encore une réserve d'énergie minimale. Mais en thermodynamique classique, l'énergie cinétique peut être nulle et l'énergie thermique disparaît.

Le point zéro d'une échelle thermodynamique, comme Kelvin, équivaut au zéro absolu. Un accord international a établi que la température du zéro absolu atteint 0K sur l'échelle Kelvin et -273,15°C sur l'échelle Celsius. La substance à température minimale présente des effets quantiques, tels que la supraconductivité et la superfluidité. La température la plus basse dans les conditions de laboratoire était de 10 à 12 K et dans l'environnement naturel de 1 K (expansion rapide des gaz dans la nébuleuse du boomerang).

L'expansion rapide des gaz conduit à la température minimale observée

Le zéro absolu correspond à une température de −273,15 °C.

On pense que le zéro absolu est inaccessible dans la pratique. Son existence et sa position sur l'échelle de température découlent de l'extrapolation des phénomènes physiques observés, alors qu'une telle extrapolation montre qu'au zéro absolu, l'énergie du mouvement thermique des molécules et des atomes d'une substance doit être égale à zéro, c'est-à-dire le mouvement chaotique des particules s'arrête et elles forment une structure ordonnée, occupant une position claire dans les nœuds du réseau cristallin. Cependant, en fait, même à température zéro absolu, les mouvements réguliers des particules qui composent la matière se maintiendront. Les fluctuations restantes, telles que les vibrations du point zéro, sont dues aux propriétés quantiques des particules et au vide physique qui les entoure.

Actuellement, les laboratoires de physique n'ont pu obtenir des températures dépassant le zéro absolu que de quelques millionièmes de degré ; il est impossible d'y parvenir, selon les lois de la thermodynamique.

Remarques

Littérature

• G.Burmin. À l'assaut du zéro absolu. - M.: "Littérature pour enfants", 1983.

voir également

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Voyez ce qu'est "Absolute Zero" dans d'autres dictionnaires :

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zéro absolu- La température extrêmement basse à laquelle le mouvement thermique des molécules s'arrête, dans l'échelle Kelvin le zéro absolu (0°K) correspond à -273,16 ± 0,01°C ... Dictionnaire de géographie

Existe., nombre de synonymes : 15 round zero (8) petit bonhomme (32) menu fretin... Dictionnaire des synonymes

ZÉRO ABSOLU- la température la plus basse à laquelle le mouvement thermique des molécules s'arrête. La pression et le volume d'un gaz parfait, selon la loi de Boyle Mariotte, deviennent égaux à zéro, et le point de référence pour la température absolue sur l'échelle Kelvin est pris ... ... Dictionnaire écologique

zéro absolu- - [AS Goldberg. Dictionnaire de l'énergie anglais russe. 2006] Thèmes énergie en général EN point zéro … Manuel du traducteur technique

Point de référence de température absolue. Correspond à 273,16°C. A l'heure actuelle, dans les laboratoires de physique, il était possible d'obtenir une température ne dépassant le zéro absolu que de quelques millionièmes de degré, mais pour l'atteindre, selon les lois... ... Encyclopédie Collier

zéro absolu- absoliutusis nulis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Termodinaminės temperatūros atskaitos pradžia, esanti 273.16 K žemiau vandens trigubojo taško. Tai 273,16 °C, 459,69 °F arba 0 K temperatura. atitikmenys : angl.… … Penkiakalbis aiskinamasis metrologios terminų žodynas

zéro absolu- absoliutusis nulis statusas T sritis chemija apibrėžtis Kelvino skalės nulis (−273,16 °C). atitikmenys : angl. zéro absolu rus. zéro absolu... Chemijos terminų aiskinamasis žodynas