# «Квантовое жужжание»: почему законы физики запрещают достижение абсолютного нуля Источник: https://www.youtube.com/watch?v=OvgZqGxF3eo Канал: PBS Space Time Опубликовано: 11.10.2017 --- Понятие тепла и холода кажется нам интуитивно понятным, однако на фундаментальном уровне физики скрываются удивительные квантовые тайны. В новом выпуске научно-популярного проекта PBS Space Time ведущий подробно разбирает концепцию абсолютного нуля температур, объясняя, почему достичь его на практике невозможно. Анализ физических законов показывает, что даже в условиях самого глубокого холода Вселенная защищена от полной неподвижности строгими правилами квантовой механики. ## 🌡️ Природа тепла и квантовые границы абсолютного холода [[JUMP:0:02]] На самом деле то, что мы привыкли называть мистическим качеством тепла, представляет собой не что иное, как хаотичное движение составляющих вещество частиц. Температура служит лишь мерой внутренней кинетической энергии, а ощущение холода возникает из-за её относительного отсутствия. Возникает логичный вопрос: что произойдет, если уменьшить температуру настолько, что всякое движение частиц полностью прекратится? Это гипотетическое состояние абсолютного холода принято за нулевую отметку по шкале Кельвина, что в привычной нам системе мер соответствует температуре -273,15 градуса Цельсия. Многие физики-экспериментаторы посвятили свои карьеры попыткам охладить вещество до абсолютного нуля с помощью сложных лазерных систем и мощных магнитных полей. Современной науке уже удалось приблизить определенные субстанции к этому пределу на расстояние менее одной миллиардной доли Кельвина. Подобные эксперименты открыли ученым причудливые квантовые состояния материи, однако сама квантовая механика, по-видимому, накладывает жесткий запрет на достижение заветного нуля, одновременно открывая дорогу к пониманию природы квантового вакуума. Знакомые каждому агрегатные состояния — твердое тело, жидкость и газ — сменяют друг друга по мере накачки энергией. Если нагреть твердое вещество, оно плавится, превращаясь в жидкость; при дальнейшем притоке энергии жидкость испаряется в газ, а экстремальный нагрев приводит к тому, что электроны покидают атомные орбитали, формируя состояние плазмы. В этих классических состояниях частицы обладают огромным спектром индивидуальных энергий, двигаясь или вибрируя с разной скоростью, тогда как макроскопическая температура отражает лишь их среднюю кинетическую энергию. Теоретически вещество может иметь сколь угодно высокую температуру, но на субатомном уровне составляющие его частицы ведут себя как квантовые существа. Они могут занимать лишь строго определенные дискретные энергетические уровни вибрации или движения, подобно электронным орбиталям внутри атома. Эту квантовую природу наглядно иллюстрирует спектр излучения, возникающий при переходах частиц между уровнями, известный как излучение абсолютно черного тела и математически описанный законом Планка. ## ❄️ Экстремальный холод: конденсация Бозе — Эйнштейна и сверхтекучесть [[JUMP:2:32]] Влияние микромира становится доминирующим, когда физики переходят к изучению сверхнизких температур. Ярким примером служит конденсат Бозе — Эйнштейна. По мере того как из определенной субстанции буквально «выкачивают» энергию, её частицы опускаются на самый низкий из возможных энергетических уровней. Когда практически все частицы занимают это единое квантовое состояние, они начинают разделять общую когерентную волновую функцию. В этот момент вещество демонстрирует странное коллективное поведение: частицы приобретают своеобразный иммунитет к индивидуальному возбуждению, и их больше невозможно случайно задеть или выбить из этого стабильного нижнего состояния. Это приводит к удивительным макроскопическим эффектам: * **Сверхпроводимость:** В некоторых твердых телах связанные пары электронов (куперовские пары) конденсируются в такое состояние и начинают течь сквозь материал абсолютно без электрического сопротивления. * **Сверхтекучесть:** Если вещество умудряется оставаться жидкостью при достижении критической температуры конденсации Бозе — Эйнштейна, оно превращается в сверхтекучую жидкость. Такая субстанция обладает строго нулевой вязкостью. Сверхтекучая жидкость способна без малейшего трения проникать сквозь мельчайшие капилляры, поддерживать бесконечно вращающиеся вихри и даже буквально взбираться по стенкам сосуда, переливаясь наружу. В лабораторных условиях ученым известна лишь одна субстанция, способная перейти в это состояние, — изотоп гелия-4. Полный спин атома гелия-4 равен нулю, что делает его бозоном (частицей с целым спином). Согласно правилам квантовой физики, бозоны, в отличие от фермионов с полуцелым спином, могут беспрепятственно занимать одно и то же квантовое состояние в неограниченном количестве. Другое уникальное свойство гелия заключается в том, что его невозможно заморозить при обычном давлении — он остается жидким вплоть до самых минимальных температур, тогда как любые другие вещества затвердевают задолго до того, как смогут проявить сверхтекучесть. ## 🔬 Запрет Гейзенберга и квантовое «жужжание» вакуума [[JUMP:4:38]] Уникальная способность гелия сопротивляться кристаллизации обнажает еще более глубокую квантовую загадку, связанную с абсолютным пределом охлаждения материи. Теоретически температура абсолютного нуля означает полное отсутствие тепловой энергии и прекращение всякого внутреннего движения. Но что означает полная остановка частицы в физическом смысле? Это бы означало, что её пространственное положение относительно соседей жестко зафиксировано, а импульс равен нулю. Однако самый фундаментальный закон квантовой механики строго запрещает подобную определенность. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что существует абсолютный предел точности, с которой можно одновременно знать определенные пары свойств частицы. Например, чем точнее определено положение квантового объекта, тем менее определенным становится его импульс, и это фундаментальное свойство природы, а не несовершенство измерительных приборов. Попытка идеально зафиксировать координату частицы и удержать ее неподвижно приводит к тому, что её импульс впадает в состояние квантовой размытости и начинает флуктуировать, принимая потенциально очень высокие значения. В условиях экстремального холода движение частиц приобретает специфический квантовый «гул» или «жужжание». Это транслируется в реальный минимум средней энергии и, соответственно, в минимально возможную температуру, которая оказывается чуть-чуть выше абсолютного нуля. Физики называют это состояние энергией нулевых колебаний (zero-point energy). Для любой группы частиц эта остаточная энергия никогда не равна нулю, в системе всегда сохраняется небольшое количество кинетической энергии, что делает физическое достижение абсолютного нуля принципиально невозможным. Интересно, что другие квантовые системы тоже обладают ненулевой энергией в своей низшей точке, порождая глобальные космические феномены: * **Энергия вакуума:** Квантовые поля, заполняющие нашу Вселенную, непрерывно флуктуируют из-за принциба неопределенности. * **Механизм Хиггса:** Некоторые поля имеют внутренний ненулевой энергетический минимум еще до учета эффектов Гейзенберга. * **Космологические следствия:** Эти процессы лежат в основе космической инфляции на ранних этапах Большого взрыва и феномена темной энергии. Чтобы по-настоящему понять устройство Вселенной, современной науке необходимо детально разобраться в том, как ведет себя пространство в отсутствие тепла, света и материи. ## 🌌 Клуб любителей науки: юбилей канала и загадки черных дыр [[JUMP:7:54]] В завершение выпуска авторы канала PBS Space Time поделились радостной новостью: проект преодолел важную веху, набрав 1 миллион подписчиков. Ведущие признались, что, запускаяссь в начале 2015 года, они не могли даже предположить, что вокруг шоу сформируется столь масштабное сообщество умных и любознательных людей. В качестве благодарности команда решила подарить фирменную футболку Space Time своему миллионному подписчику с ником «75». В традиционной рубрике ответов на вопросы зрителей ведущий разобрал недавнее астрофизическое открытие: обнаружение потенциальной пары сверхмассивных бинарных черных дыр, вращающихся на расстоянии всего одного светового года друг от друга. Зритель с ником *barcodes 89* поинтересовался, придется ли ждать миллиарды лет, пока эти гиганты столкнутся из-за потери углового момента, уносимого гравитационными волнами. Физики успокоили аудиторию: слияние произойдет гораздо быстрее — в течение периода от тысяч до миллионов лет. Мы точно знаем, что такие дыры сливаются, иначе они бы не смогли вырасти до наблюдаемых размеров, а в центрах галактик фиксировалось бы гораздо больше двойных систем. Потеря углового момента ускоряется за счет динамического трения дыр о газовые облака в галактических ядрах. Отвечая на вопрос *Dylan Burris* о том, что еще, помимо черной дыры, находится в центре галактик, ведущий отметил колоссальную плотность звезд — в ядре Млечного Пути она примерно в 100 раз выше, чем в его диске. Также там скапливается множество остатков массивных светил: нейтронные звезды и черные дыры звездной массы, которые со временем мигрируют к центру. При столкновениях галактик межзвездный газ устремляется в ядро, активируя деятельность квазаров, пока все вещество не поглотит центральная черная дыра. Пользователь *Joseph can the* резонно заметил, что если компоненты бинарной системы разделяет целый световой год, то для фиксации их движения они должны двигаться с безумной скоростью. Ведущий подтвердил логику зрителя, но уточнил нюанс: астрономы пока не видели их непосредственного вращения напрямую, а лишь рассчитали их орбитальную связь на основе гигантских масс. На один полный оборот вокруг общего центра масс у этой пары уходит несколько тысяч лет. В самом конце ведущий с иронией принес извинения зрителю по имени *Robin*, отметив, что его критика лагранжиана неделей ранее была вызвана лишь некорректным использованием LaTeX-разметки, в то время как само физическое уравнение оставалось абсолютно верным.