Самая низкая природная температура, занесенная в Книгу рекордов Гиннеса (минус 89,2 °С), была зафиксирована в Антарктиде. В исследованном космосе холоднее всего в туманности Бумеранг — она расширяется и выбрасывает охлажденный газ с температурой минус 271 ⁰С. Но ученые давно обогнали природу, создав системы, где температура близка к абсолютному нулю.

Температура в физике является аналогом внутренней энергии вещества, поэтому чем более нагрет материал, чем быстрее двигаются в нем частицы. Самая низкая температура из физически возможных соответствует минус 273,15 ⁰С (или 0 Кельвин), и в этой точке тепловое движение останавливается полностью.

Для исследования явлений на микроуровне ученым необходимо точно знать, чем вызван тот или иной эффект. Например, электрон внезапно ускорился, для чего ему потребовалась энергия. Но как понять, откуда она появилась: от попавшего на электрон фотона или из тепла окружающей среды? Ученые давно нашли ответ на этот вопрос: изучать такие частицы необходимо при охлаждении, наиболее близком к абсолютному нулю.

Самый простой метод получения низких температур — использование жидкого гелия. В «свободном» состоянии это газ, входящий в состав атмосферы и известный многим по забавному свойству делать голос смешным. Дело в том, что частота колебаний голосовых связок зависит от плотности воздушной среды. Плотность гелия в семь с лишним раз ниже, чем воздуха, а скорость звука — в три раза выше. Поэтому в полости гортани резонансно усиливаются более высокие гармоники колебаний голосовых связок, за счет чего голос и становится писклявым.

«Для науки важным свойством гелия является его природная низкая температура, когда он находится в жидком виде, для чего газ в буквальном смысле сжимают в специальном компрессоре. Тогда он приобретает температуру 4,2 Кельвина. Но ее можно повысить, если использовать два изотопа (так называют разновидности атомов с одинаковым зарядом, но разным количеством нейтронов) гелия — 3 и 4. При охлаждении смеси, включающей в себя данные изотопы, она делится на две фазы — богатую гелием-3 и гелием-4. При переходе первого из них в фазу, богатую гелием-4, происходит снижение температуры. Так можно охладить систему до 10-20 милликельвин в рефрижераторах растворения», — рассказывает Владимир Гуртовой, старший научный сотрудник Лаборатории искусственных квантовых систем Московского физико-технического института.

Поэтому желающие продолжить заморозку ученые должны использовать так называемое сизифово охлаждение. Навстречу атому направляют два лазерных пучка с поляризацией, перпендикулярной друг другу. Полученные волны света «сбрасывают» атом в более низкое энергетическое состояние, навязывая ему собственную частоту вместо уже имеющейся.

Недостатком двух последних методов является невозможность охлаждения крупных систем, поскольку с помощью лазеров можно заморозить только отдельные атомы. Для более крупных объектов изучения применяют схемы, основанные на гелии.

Источник: ria.ru