Борис Смагин - Вблизи абсолютного нуля

Тепло от печки передается молекулами воздуха. Воздух около печки прогревается, расширяется, уходит вверх. Его место занимает другая порция. И так идет перемешивание, пока все тепло печки не разойдется равномерно по всей комнате.

Молекулы сильно нагретых тел отдают тепло в виде излучения. У них слишком много энергии. Температура велика, двигаются молекулы очень быстро. И отдают лишнюю энергию порциями излучения. Если поднести ладонь к сильно нагретому телу, то от него так и пышет жаром. Это летят невидимые тепловые лучи. Летят они и от звезд, и от нашего Солнца, летят за многие миллионы километров через межпланетное безвоздушное пространство. Именно таким способом Солнце «отапливает» нашу-Землю. Вся Вселенная заполнена этими «путешествующими» тепловыми лучами.

Сейчас их научились находить, ловить даже, когда их совсем мало.

Есть приборы, которые могут обнаружить даже спичку, зажженную на Луне.

Но тела, нагретые не сильно, почти не излучают. Поэтому защитой низких температур служит вакуум — пространство, лишенное воздуха.

Про абсолютный нуль ученые узнали, когда стали изучать поведение газов. С другой стороны, газы, так сказать, объект всей техники сверхнизких температур. И все время, пока мы будем заниматься сверххолодом, нам придется общаться с газами. Правда, многие из них быстро меняют свой облик, становятся жидкостями. И наше продвижение к абсолютному нулю мы и будем отмечать тем, что газов останется все меньше и меньше.

Вот, например, воздух. В нем есть углекислый газ, азот, кислород, пять инертных газов. Но стоит его охладить — и углекислый газ выпал твердым осадком. Потом ушел кислород, за ним азот, другие газы.

Только морозоустойчивый гелий — один из инертных газов воздуха — держится до последнего.

Лишь в самых близких покоях Владыки Сверххолода сдался и он. Ни одного газа в мире больше нет! Ледяное безмолвие!

Давайте познакомимся с газами поближе. Пока что пусть они живут в наших обычных земных условиях. И ведут себя, как полагается газам, совсем не подозревая, какая участь им в дальнейшем уготована.

У молекул есть свой свод законов. Мы с ним ознакомились. Но когда они составляют газ, появляются новые законы, действующие лишь для газа. Поскольку нас интересуют газы и мы собираемся с ними долго общаться, выясним, какие это законы. Это тем более интересно, что с помощью одного из них мы в точности определим значение абсолютного нуля — таинственное, на первый взгляд, ничего не выражающее число «минус двести семьдесят три».

Молекулы газа свободны, как ветер. Это мы уже знаем. Их ничто не удерживает вместе. Они мчатся с громадными скоростями, сталкиваясь друг с другом, натыкаясь на стенки сосуда, в котором находится газ. Если сосуд раскрыть, то газ мгновенно покинет его, молекулы разлетятся во все стороны, осваивая новое помещение.

Газ состоит из молекул. И хотя каждая молекула живет своей собственной отдельной жизнью, хотя все они «думают», что никакого отношения друг к другу не имеют, это неверно. Свойства газа как раз и зависят от того, как ведут себя все его молекулы, вместе взятые.

Если у нас в руках твердое тело, то мы сначала смотрим, какое оно на вид, интересуемся формой тела. Затем судим о его весе — тяжелое оно или легкое. И, конечно, говорим о температуре.

Затем можно определить твердость тела — упругое оно или нет, как проводит тепло и многое другое.

Что касается газа, то говорят только о трех его характеристиках. Во-первых, у газа имеется определенная температура. Это мера тепловой энергии газа, мера энергии движения его молекул. Не надо, конечно, думать, что все молекулы двигаются точно с одними и теми же скоростями. Нет, у одних молекул скорость поменьше. Другие — порезвее, быстрее двигаются. Температуру определяет средняя скорость. Допустим, измерили мы скорости всех молекул. А потом сложили эти части и разделили на число молекул.

Это и будет средняя скорость.

Кроме того, газ находится в каком-то сосуде, значит, обладает определенным объемом.

И, наконец, третья величина. Молекулы газа бомбардируют стенки сосуда, во время своих полетов ударяются в стенки. Чем больше таких ударов, чем больше скорость молекул, тем труднее приходится стенкам. Газ сильнее давит на них.

Все эти удары, вместе взятые, создают давление газа.

Итак, температура газа, объем и давление. Вот величины, с которыми связана жизнь газа. Их называют параметрами. Только они не существуют каждая сама по себе.

Возьмем, например, кусок мела. Он может быть большим и маленьким, теплым и холодным.

Но объем куска мела никакого отношения не имеет к его температуре. Вообще говоря, при нагревании твердые тела расширяются, но очень немного. Зато в газах объем, давление и температура связаны между собой. Это легко установить.

Подобные опыты ученые проделали давно.

Еще в средние века, когда физика только становилась наукой, люди, которых интересовали загадки природы, собирались. вместе, рассказывали о своих наблюдениях, спорили, объясняя то или иное интересное явление.

Так рождалась наука — в беседах, спорах, так люди открывали законы природы, подтверждая их опытами, создавая первые формулы.

В Англии в XVII веке образовался большой кружок таких исследователей. Сначала он носил название «Незримая коллегия», и ученые собирались почти подпольно.

Они боялись, что королевские власти и вездесущая церковь сочтут их занятия греховными.

Ученые недолго собирались втайне. Скоро английский король признал общество ученых, взял его под свое покровительство и повелел называть Лондонским королевским обществом. Так и теперь называется Английская академия наук, которая выросла из небольшого кружка ученых.

Среди ученых, которые сразу же стали работать в этой академии, был и гениальный Исаак Ньютон, основавший современную физику, и Роберт Гук, который изучал упругость тел, колебания маятника, свойства звука.

Было много других. В том числе очень богатый человек — Роберт Бойль.

Роберт Бойль (1627–1691).

Роберта Бойля интересовало в науке лишь одно: он увлекался исследованием газов.

Еще задолго до Бойля итальянские ученые выяснили много любопытного, узнали о некоторых свойствах газов. Торричелли доказал, что воздух давит на нас сверху с большой силой. Ученые уже знали, что воздух можно сжимать, что, нагреваясь, он расширяется. Но по-настоящему газами занялся Бойль. Он наблюдал много интересных явлений. Некоторые из них Бойль даже не старался объяснить. А это очень жалко. Например, в одном из своих опытов английский ученый по сути дела доказал, что воздух состоит из отдельных частичек — молекул. Но объяснили это лишь много лет спустя.