Борис Смагин
ВБЛИЗИ АБСОЛЮТНОГО НУЛЯ
Термометры и абсолютный нуль
(Вступительная беседа)
Температура. Слово известно каждому: «Плюс двадцать», «минус десять», «тридцать градусов жары», «сорок градусов холода», «пятьдесят — ниже нуля». Так говорят о температуре.
Мы меряем температуру по Цельсию. Термометр так и называют термометром Цельсия. Когда пишут о температуре, ставят знак «С». Это означает: шкала Цельсия. Мы говорим: сегодня на улице девятнадцать градусов тепла. Что это значит? Девятнадцать градусов выше нуля по шкале Цельсия — так нужно ответить на этот вопрос. Или написать 19 °C.
Еще недавно висели в наших домах термометры Реомюра. И Реомюр и Цельсий за нуль взяли одну и ту же точку — таяние льда. Вода замерзает и тает при строго определенной температуре. Пока вся не замерзнет или не растает, температура не изменится. Ведь нелегко найти неизменную температуру. Обычно температура все время изменяется. Даже в теле человека она «гуляет» из стороны в сторону на десятые доли градуса.
А точка таяния льда — основная для термометров — незыблема.
Второй опорной точкой оба создателя шкалы термометров сделали кипение воды. Здесь тоже температура постоянна.
Пока вся вода не вскипит, температура не меняется. И вот тут-то пути создателей термометров разошлись. Точку кипения воды Цельсий обозначил как 100 градусов, а Реомюру больше по сердцу пришлось число 80. Значит, один градус шкалы Реомюра составляет 5/4 градуса шкалы Цельсия.
Есть еще одна, третья шкала температур. Ею пользуются в Англии и США. У одного из американских писателей есть небольшой рассказ про больного мальчика. Он знал, что температура у человека повышается при сильных заболеваниях до сорока с небольшим градусов.
И вдруг услышал слова отца, который измерял ему температуру. Мальчика охватил ужас — ведь температура оказалась около ста градусов. И он приготовился к неминуемой смерти от такого страшного жара.
Между тем никакого жара и не было. Просто отец дал ему градусник с третьей шкалой — градусник Фаренгейта. Для этой шкалы девяносто шесть градусов — нормальная температура человека. Вы все, конечно, помните, как герои Джека Лондона великолепно себя чувствуют при холоде в шестьдесят и семьдесят градусов. Это опять-таки по Фаренгейту. А по Цельсию «ужасов» там нет. Обычные для Арктики морозы.
Термометры бывают ртутные или спиртовые. Ртуть и спирт при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Поэтому и перемещается столбик ртути или спирта вдоль шкалы термометра.
На шкале, если мы делаем термометр сами, мы первым долгом отметим две основные точки. Опустим металлический шарик ртутного термометра в замерзшую воду и отметим нуль. Затем переведем его в воду кипящую. И появится вторая отметка — сто градусов. Значит, термометр будет со шкалой Цельсия. Расстояние между этими метками аккуратно разобьем на сто равных частей. И отложим их в обе стороны. И вверх от ста градусов и вниз от нуля. Вверх откладываем смело две тысячи, пять тысяч, десять тысяч градусов — пока шкалы хватит.
А вот вниз от нуля так далеко путешествовать не придется. Там лежит таинственная температурная точка, носящая название — абсолютный нуль.
Какие бы шкалы мы ни выдумывали, на сколько бы частей ни делили расстояния между основными точками температурной шкалы, ниже абсолютного нуля нам пойти не удастся. Эта температура предельная, практически недостижимая. Мы знаем в физике несколько таких величин. Скорость света, например, триста тысяч километров в секунду — большей не существует.
И температур ниже, чем минус двести семьдесят три градуса по Цельсию, тоже не может быть. Это и есть абсолютный нуль —273 °C, точнее —273,16 °C.
Нагревать тела можно сколько угодно. А вот охлаждать…
Миллионы, десятки, сотни миллионов градусов выше нуля. И только двести семьдесят три — ниже! Заграждение, порог. За ним нет ничего.
Зато при подходе к этому порогу происходят разные превращения веществ. И жидкости и газы замерзают, превращаются в тела твердые. И еще другие чудесные вещи происходят вблизи абсолютного нуля.
Вот об этих чудесах, а также о том, как получают сверхнизкие температуры и для чего они нужны, мы и собираемся поговорить. Мы хотим совершить путешествие по шкале температур. Начать от самого обычного нуля Цельсия. А закончить путешествие где-то вблизи абсолютного нуля. У той самой температуры, куда уже добрались ученые. А отличается она от абсолютного нуля всего лишь на одну тысячную градуса. Таким образом, мы подойдем к абсолютному нулю вплотную, побываем в замке самой снежной из всех Снежных Королев!
Когда тепло, а когда холодно
Мир, окружающий нас, бесконечный и разнообразный. Чего только здесь нет: звезды, воздух, солнце, камни, вода, дома, машины, самолеты, всевозможные предметы нашего быта, одежды…
Можно перечислять целыми часами, вспоминать тысячи названий.
А вот физики разбили все, что нас окружает, на три категории: твердые тела, жидкости, газы. И все предметы разошлись, все оказались на своих местах.
Правда, как мы сейчас увидим, тела часто перескакивают из одной такой категории в другую. И даже весьма успешно. Но это как раз связано с нашим путешествием по шкале температур.
Чем отличаются эти три состояния веществ?
Твердое тело сохраняет свой вид, свою форму. Куда бы мы ни перенесли кирпич, он кирпичом и останется. Разве только разбить его. Но и каждый осколок кирпича останется твердым телом.
А вот жидкость займет любой сосуд. Форма ее будет в точности совпадать с формой этого пристанища. Если вылить ее, скажем, на пол, то жидкость растечется по полу, заползет в щели. И не соберешь ее.
Что касается газов, то с ними дело обстоит еще хуже. Тут о форме уже говорить нельзя, жидкость легко перелить из одного сосуда в другой. Но объем свой жидкость сохраняет, что бы вы с ней ни делали.
А вот газ мгновенно распространится в любом помещении.
Твердые тела, жидкости и газы легко отличить друг от друга. Не спутаешь. Правда, есть вар, гудрон и еще кое-какие липучие, вязкие вещества, которые часто зовут переохлажденными жидкостями. Потому что, с одной стороны, они выглядят как твердые тела. А с другой стороны, понемногу растекаются, как очень густая жидкость.
Но в большинстве случаев газ с жидкостью или твердым телом спутать трудно.
Всегда ли газ остается газом, жидкость — жидкостью, а твердое тело — твердым телом? Оставили на ночь в блюдечке воду. А утром ее уже почти не осталось. Мы знаем, что вода не меняет своего объема. Куда же она делась? Испарилась, — отвечают вам.
Еще быстрее исчезают духи из флакона, который мы забыли закрыть. Расходятся они по всей комнате, мы чувствуем их аромат: вместо жидкости появляется газ и смешивается с воздухом комнаты. И вода из блюдечка тоже начала новую жизнь. Теперь она уже не жидкость, а газ — водяной пар.
Воду и духи мы видели. А газы обычно бесцветны. Разлетелись частички бывшей жидкости по комнате, превратились в невидимок. Хорошо, что некоторые невидимки пахнут. Так мы их и обнаружили. А водяные пары, пока их мало, никак о себе знать не дают.
Часто из твердых тел получаются жидкости. По сути дела это чудесное превращение, а мы даже внимания не обращаем на подобные чудеса. Подумаешь, невидаль — снег растаял! А между тем произошло нечто необыкновенное. Вместо твердого снега или льда появилась жидкость — вода. Но никого это не удивляет. Мы просто привыкли к этому. А представьте себе, что подобные «переодевания» стали бы проделывать обычные предметы вашей комнаты — стол, стул, книги! Это было бы настоящим чудом. А тающий лед никого не удивляет!