За последние 150 лет учёные значительно продвинулись в исследовании и достижении чрезвычайно низких температур, а также нашли множество способов их применения. Представляем Вашему вниманию любопытные факты о самых низких температурах.
Сверхпроводники и левитация
В 1911 голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес изучал свойства ртути и обнаружил, что при охлаждении вещества до -269,05°C резко падает его электрическое сопротивление. Таким образом при чрезвычайно низких температурах ртуть и некоторые другие вещества становятся сверхпроводниками. В закрытом проводнике с нулевым сопротивлением постоянный электрический ток может протекать без затухания неограниченное количество времени, необходимо только поддерживать его сверхпроводимость при помощи низких температур.
Ещё одно любопытное свойство сверхпроводников – вытеснение магнитного поля из объёма проводника, так называемый эффект Мейснера. Сильные магниты провоцируют появление магнитного поля внутри сверхпроводника, вследствие чего магнит и проводник отталкиваются друг от друга. На этом принципе работают поезда на магнитной подушке или маглевы (от magnetic levitation — «магнитная левитация»): сверхпроводниковые магнитные колёса, охлаждаемые жидким гелием, левитируют над магнитными рельсами на высоте около 10 см. В 2015 году скоростной состав LO японской компании JR Central установил мировой рекорд, достигнув скорости в 603 км/ч.
Магнитно-резонансная томография
Жидкий гелий – прозрачная жидкость с температурой кипения -268°C – является ключевым компонентом, обеспечивающим работоспособность сканеров магнитно-резонансной томографии. Сверхпроводящие магниты, работающие в жидком гелии, возбуждают протоны в теле человека, а системы сбора данных томографа регистрируют их отклик – выделяющуюся энергию. Для обеспечения работы одного среднестатистического аппарата нужно 1700 литров жидкого гелия. МРТ является одним из важнейших неинвазивных методов диагностики состояния внутренних органов, однако дефицит гелия, вызванный высокими темпами его потребления, может поставить крест на дальнейшем развитии и применении технологии. Концентрация гелия в атмосфере составляет 5,27⋅10−4 %, это настолько ничтожное количество, что добыча газа из воздуха совершенна нецелесообразна. Сегодня это вещество добывают из гелионосных природных газов с концентрацией гелия до 2%.
Конденсат Бозе-Эйнштейна
Как правило, атомы в газообразных веществах находятся в непрерывном, хаотичном движении. Охлаждение газа до температуры около -273°C провоцирует довольно необычное поведение вещества – такое состояние называется конденсатом Бозе-Эйнштейна. Атомы газа замедляются настолько, что практически прекращают взаимодействие между собой и даже могут замедлить фотоны света. Теоретически это явление предсказал Альберт Эйнштейн на основе работ индийского физика Шатьендраната Бозе в 1925 году. Лишь 70 лет спустя его существование доказала команда учёных из Объединённого института лабораторной астрофизики: они создали конденсат Бозе-Эйнштейна рубидия, охладив его до температуры в 170 нанокельвинов. В 2000 году специалисты из Гарвардского университета использовали конденсат рубидия, чтобы замедлить скорость света до 0,2 мм/с. Команда учёных с физиком Лене Хау во главе разработала способ сохранения отдельных световых импульсов в пределах конденсата Бозе-Эйнштейна: на его основе планируют разработать инновационные методы хранения данных, которые пригодятся в квантовых компьютерах.
Криотерапия
Криотерапия – это общее название для различных способов использования холода в лечебных целях. Некоторые специалисты утверждают, что общая криотерапия имеет множество полезных свойств для организма человека: краткосрочное охлаждения тела до -100°C способствует защите мозга от деградации, нормализует обменные процессы и гормональный фон. Относительно недавно охлаждённые практически до абсолютного нуля вещества, например, жидкий азот, стали использовать для удаления аномальных скоплений клеток: от бородавок и доброкачественных образований до раковых опухолей.
Лунные кратеры
Долгое время учёные считали, что самым холодным местом в Солнечной системе является поверхность Плутона, однако в 2009 году их ожидало необычное открытие. Это место оказалось гораздо ближе к Земле: в кратерах, расположенных на Южном полюсе Луны, температура может падать до -248°C. Подобные наблюдения были сделаны при помощи лунного разведывательного орбитера NASA, который измерил уровень радиации, излучаемый земным спутником.
Самые холодные температуры наблюдаются в глубоких расщелинах, которые постоянно находятся в тени и никогда не получают солнечный свет. Эти углубления служат своего рода архивом лунной истории – ловушками-криокамерами, которые сохраняют различные элементы и летучие газы. Например, в кратере Кабео специалисты идентифицировали посторонние минералы, которые свидетельствуют о столкновении Луны с другими небесными телами.
Молекулярная кухня
В последнее время применение охлаждённых газов вышло далеко за пределы научных лабораторий. В частности, жидкий азот является неотъемлемым элементом молекулярной кухни, где его используют для шокового охлаждения продуктов. Приготовление классического мороженого – достаточно долгий и трудоёмкий процесс, однако при помощи жидкого азота любая жидкость охлаждается в мгновение ока.
Кулинарные эксперименты не ограничиваются приготовлением десертов: свойства жидкого азота, температура кипения которого составляет -196°C, пришлись по вкусу и барменам. Необычный газ не только быстро охлаждает напитки, но и формирует густую дымку для эффектной подачи коктейля.
Употребляя криогенные блюда, следует помнить о потенциальных рисках: в 2012 году британке потребовалась срочная операция – отведав эффектный ледяной коктейль в одном из баров города Ланкастер, девушка получила сильное обморожение внутренних органов.
Живые существа и холод
Для людей и большинства теплокровных животных длительное пребывание на морозе является смертельным. При температуре тела менее 35°C у человека замедляется работа внутренних органов, а продолжительная гипотермия приводит к их полному отказу. Некоторые организмы всё же могут выжить при критически низких температурах. Тихоходки и личинки мухи-дрозофилы способны выдержать пребывание при температуре -196°C на протяжении часа. Неожиданными рекордсменами оказались паразитические пиявки Ozobranchus jantseanus, обитающие в Восточной Азии. Японские учёные зарегистрировали, что при -196°C пиявки не погибают около суток, а при -90°C некоторые из них могут жить месяцами и даже годами. Это открытие неслабо озадачило учёных: каким образом живые существа из Восточной Азии, которые никогда не сталкиваются с настолько низкими температурами в дикой природе, настолько хорошо адаптируются к экстремальному холоду?
Абсолютный нуль
Абсолютный нуль – это минимальный предел температуры. По достижении этого предела движение молекул веществ ограничено движением электронов вокруг ядра. Абсолютный нуль – это исключительно теоретическое значение, которое служит точкой отсчёта для абсолютной температурной шкалы Кельвина и соответствует значению -273,15° по Цельсию или -459,67 ° по Фаренгейту. Согласно третьему закону термодинамики, достичь этого значения нельзя, можно только бесконечно долго к нему приближаться, чем с энтузиазмом занимаются учёные. В 2015 году физикам из Стэндфордского университета удалось охладить облако из атомов рубидия до температуры, которая превышает абсолютный нуль лишь на пятьдесят триллионных градуса.
