Абсолютний нуль: чому не існує «найхолоднішої» точки Всесвіту?

Чи можливо знайти у Всесвіті найхолоднішу точку? Це питання хвилює багатьох, хто цікавиться астрофізикою. Хоча здається, що у космосі панує абсолютний холод, насправді навіть у найвіддаленіших куточках існує енергія. У цій статті ми розглянемо фізичні принципи, що пояснюють, чому абсолютний нуль температури недосяжний і чому найхолоднішої точки у Всесвіті не існує.

Що таке абсолютний нуль?

Абсолютний нуль – це особлива теоретична межа, яку фізики визначили як найнижчу можливу температуру у Всесвіті. При цій температурі, що відповідає 0 Кельвінів або -273,15 °C, тепловий рух атомів і молекул, з якого складається будь-яка речовина, мав би повністю припинитися. Здавалося б, якщо знизити температуру достатньо сильно, можна “заморозити” будь-який рух, проте насправді це лише ідеальна теоретична уява, до якої не можна дійти на практиці.

Причина полягає у фундаментальних законах термодинаміки та квантової механіки. Згідно з третім законом термодинаміки, досягнення абсолютного нуля потребує нескінченно великої кількості енергії для вилучення останніх крихт тепла. Іншими словами, що сильніше ви намагаєтеся охолодити систему, тим важче забрати з неї залишкову теплову енергію. Цей закон фактично встановлює бар’єр, якого не можна перетнути. Що ближче ви наближаєтеся до абсолютного нуля, то складніші умови потрібно створити, і це неминуче призводить до зростання ресурсів і сил, необхідних для охолодження.

Навіть у найвіддаленіших і порожніх куточках космосу повна відсутність теплової енергії неможлива, адже це тло, по суті, прогріває Всесвіт до рівня, вищого за абсолютний нуль

Але абсолютний нуль не лише недосяжний в лабораторних умовах; його немає і у космосі. Попри першу думку про те, що у глибині Всесвіту має панувати нескінченний холод, там насправді існує реліктове випромінювання – залишкове світло Великого вибуху. Це випромінювання пронизує увесь простір, підтримуючи мінімальну температуру приблизно в 2,7 Кельвінів. Навіть у найвіддаленіших і порожніх куточках космосу повна відсутність теплової енергії неможлива, адже це тло, по суті, прогріває Всесвіт до рівня, вищого за абсолютний нуль.

Додайте сюди квантову природу речовини: навіть у порожнечі, де, здається, немає нічого, квантові флуктуації створюють мікроскопічні, але реальні порушення, так звану нульову енергію вакууму. Ці тонкі коливання проявляються всюди і завжди, не даючи температурі опуститися до ідеальних нульових значень.

Навіть сучасні експерименти, що використовують складні технології, як-от лазерне охолодження атомів, дозволяють наблизитися до абсолютного нуля лише на мізерно малу частку кельвіна. Фізики досягають унікальних станів речовини – наприклад, конденсату Бозе–Айнштайна, – де окремі атоми починають поводитися як єдине квантове ціле. Та все ж, ці температури залишаються ненульовими, доводячи, що абсолютний нуль залишається ідеальною межею, не доступною на практиці.

Тривимірний графік розподілу швидкостей атомів газу рубідію, що підтверджують відкриття нового стану матерії, конденсату Бозе — Айнштайна.

Реліктове випромінювання – залишкова теплота Великого вибуху

Реліктове випромінювання є одним з ключових чинників, що пояснюють, чому у Всесвіті неможливо знайти точку, холоднішу за певний мінімальний рівень. Це своєрідне “відлуння” Великого вибуху, яке пронизує увесь космічний простір, заповнюючи його слабким тепловим фоном. Навіть якщо уявити собі галактики, віддалені на мільярди світлових років, та міжзоряний простір, майже повністю позбавлений матерії, там все одно присутня ця невидима “теплова завіса”.

Температура реліктового випромінювання, за сучасними вимірюваннями, становить близько 2,7 Кельвіна. Це на кілька градусів вище за абсолютний нуль, і ця різниця є надзвичайно важливою. Означена температура ніби “підтримує” не лише конкретну ділянку космосу, а весь простір загалом, не даючи йому “охолонути” до того ідеального мінімуму, який би відповідав абсолютному нулю. Іншими словами, нам здається, що у Всесвіті можна знайти нескінченну порожнечу, вільну від енергії та руху, проте насправді вона завжди містить у собі залишкове тепло від колосального вибуху, що започаткував наше існування.

Карта реліктового випромінювання WMAP

Таким чином, реліктове випромінювання стає свого роду універсальною “точкою відліку” для космічних температур. Воно перешкоджає існуванню цілковито “мертвого” від холоду простору і нагадує нам про надзвичайний момент народження Всесвіту, коли матерія, простір і енергія лише почали свій нескінченний шлях розвитку.

Енергія квантових флуктуацій

Інший фундаментальний чинник, який не дає нам досягти ідеально низької температури, криється у дивовижному світі квантової механіки. Навіть коли ми уявляємо собі ідеально порожній простір, де немає ані матерії, ані випромінювання, він не є цілковито “пустим”. У цьому вакуумі завжди існує мінімальна, але цілком реальна енергія, що зветься нульовою точкою енергії.

Це поняття означає, що навіть без жодної частинки чи фотона, простір наповнений “шепотом” квантових флуктуацій – мікроскопічних коливань полів та енергії, які ніколи не зникають повністю. Ці флуктуації настільки слабкі, що ми їх безпосередньо не відчуваємо, проте вони мають фундаментальне значення: вони не дозволяють температурі опуститися до абсолютного нуля. Навіть там, де, здається, немає нічого, завжди існує хоч якась дрібка енергії, яка зберігає світ від тотального “застигання”.

Де шукати найхолодніші точки?

Попри те, що абсолютний нуль залишається недосяжною межею, а найхолодніша точка у Всесвіті не існує, науковці все ж спрямовують свій погляд туди, де температура наближається до вкрай низьких значень. Одним із таких “холодних оазисів” космосу є густі міжзоряні хмари та туманності, де концентрація матерії мінімальна, а потік енергії та випромінювання суттєво послаблюється. Саме у таких місцях можна спостерігати температури на рівні кількох кельвінів, що насправді є дуже близьким до найнижчої можливої.

Молекулярна хмара Barnard 68 за 500 св. років від Сонця з діаметром 0,5 св. років.

На Землі, у спеціалізованих лабораторіях, вчені використовують надскладні технології, такі як лазерне охолодження та магнітні пастки, щоб штучно знизити температуру газів до мікро- або навіть нано-кельвінів вище від абсолютного нуля. Ці експерименти дозволяють не лише “зазирнути” у світ на межі теплового спокою, а й краще зрозуміти квантові ефекти, що починають проявлятися у таких екстремально холодних станах. У цих умовах атоми можуть об’єднуватися в екзотичні фази речовини, на кшталт конденсату Бозе–Айнштайна, де квантові властивості стають домінуючими. Та навіть у таких контрольованих експериментах абсолютний нуль лишається недосяжною ідеєю, що служить орієнтиром у нескінченному пошуку розуміння фундаментальних законів нашого Всесвіту.

Висновок

Ми можемо створювати умови, за яких речовина охолоджується до неймовірно низьких температур, та все одно ніколи не досягнемо цього ідеального стану повного спокою. Реліктове випромінювання, яке пронизує Всесвіт із часів Великого вибуху, постійно підтримує температурний фон, недосяжний для абсолютного нуля. Квантові флуктуації, невидимі коливання енергії у вакуумі, нагадують, що навіть за відсутності матерії та випромінювання існує рух і динаміка, хоч і мікроскопічного масштабу.

Усе це сплітається у складну тканину космосу, демонструючи, наскільки багатогранним та несподіваним є наш Всесвіт. Абсолютний нуль лишається ідеальною межею, своєрідним “горизонтом подій” у світі термодинаміки, до якого можна невпинно наближатися, проте ніколи не ступити далі. Цей факт підкреслює не лише теоретичні обмеження науки, але й безмежність нашого шляху до розуміння законів природи. Віддаляючись від досяжних меж холодних станів матерії, ми водночас наближаємося до глибшого розуміння величі і таємничості космосу.