Парадоксальным образом, ниже минус 273 градусов Цельсия температура понизится уже не может. Звучит как физическая невозможность, но это является основой азотного парадокса, который стал объектом исследования великих умов на протяжении десятилетий.
Для более глубокого понимания этой концепции, необходимо рассмотреть её изначальные истоки. Восьмое декабря 1900 года в Лондоне проходила 79-я конференция английского физического общества. Во время этого мероприятия Вильям Томсон (лорд Кельвин), известный физик и математик, произнёс речь, в которой заявил, что «все тепло вовсе не является просто энергией, а скорее движением маленьких частиц, которое можно было б аналогично изобразить в гравитационных и электромагнитных вкусностях». Он предположил, что при отсутствии движения этих маленьких атомных частиц, температура пришла бы к абсолютному нулю.
Кельвин предложил, что абсолютный нуль — это непревзойденное состояние, в котором все движения атомных частиц кажутся прекращенными. В соответствие с теорией Кельвина, абсолютный нуль эквивалентен минус 273 градусов Цельсия. Вертикальная шкала благодаря международному соглашению, зафиксированному в 1954 году, основана на этой температуре.
На этом основании азотный парадокс стал объектом внимания многих учёных, которые пытались разгадать его секреты и найти объяснение. Один из самых известных исследователей этой проблемы – Питер Лиддл (1920-1997), который считает, что азотный парадокс является последствием анализа статистической физики, способной предоставить объяснение поведения больших групп атомов. Он сделал вывод, что температура ниже абсолютного нуля противоречит классическим законам термодинамики.
Почему же так происходит? Для ответа на этот вопрос необходимо разобраться в ключевых принципах статистической физики и термодинамики. Первый принцип термодинамики говорит нам о том, что энергия всегда сохраняется. Абсолютный нуль, по определению, является состоянием, в котором энергия минимальна и движение атомов прекращено. Это означает, что при этой температуре уровень энергии состояния системы оказывается более низким, чем на каждом индивидуальном состоянии.
Абсолютно нулевая температура также связана со вторым принципом термодинамики, который заключается в том, что энтропия — мера беспорядка системы — приближается к нулю при абсолютном нуле. Это связано с понятием микросостояний. Микросостояние определяется набором квантовых чисел, которые описывают движение частиц в системе. По мере увеличения энергии, количество доступных микросостояний также увеличивается.
Однако при достижении абсолютного нуля все микросостояния становятся запрещенными. Это связано с особенностями квантовой теории и эффектом Паули. Принцип Паули запрещает движение частиц в одних и тех же квантовых состояниях. Таким образом, при абсолютном нуле все микросостояния оказываются запрещенными, а энтропия системы будет равна нулю.
Теперь рассмотрим ситуацию, когда мы пытаемся понизить температуру ниже абсолютного нуля. По определению, это означает, что энергия системы должна быть меньше, а энтропия — отрицательной. Однако, как мы уже установили, при абсолютном нуле энтропия будет равна нулю, а при попытке понизить температуру ее значение будет заходить в отрицательные значения.
Термодинамические законы не предусматривают возможности существования объектов с отрицательной энтропией, что означает, что понижение температуры ниже абсолютного нуля является противоречием к основополагающим принципам физики.
Таким образом, азотный парадокс является следствием основных принципов термодинамики и статистической физики, которые говорят о невозможности понижения температуры ниже абсолютного нуля. Это заключительное состояние, при котором движение атомных и податомных частиц прекращается, энергия минимальна, а энтропия стремится к нулю. Отрицательные значения энтропии противоречат основным законам термодинамики и, следовательно, понижение температуры ниже абсолютного нуля становится невозможным явлением.