Вблизи абсолютного нуля

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.

Бойль проделал несколько опытов, благодаря которым остался навсегда в памяти потомков. Он открыл закон, носящий теперь имя закона Бойля — Мариотта. Бойль запаял небольшую изогнутую трубочку. В запаянном ее колене оказался воздух. Потом ученый стал поджимать этот воздух, добавляя в открытое колено ртуть. Воздух сжимался. И Бойль выяснил, что, чем меньший объем занимает попавший в ловушку воздух, тем большее количество ртути он уравновешивает.

Ртуть давит на воздух. И воздух также давит на ртуть. Оба давления одинаковы, раз столбик ртути покоится на месте.

Получается, что давление газа и его объем взаимосвязаны. Если не менять температуру, держать ее постоянной, то зависимость получается очень простая. Объем газа и его давление при постоянной температуре обратно пропорциональны друг другу.

Так формулируется закон Бойля — Мариотта.

Но при чем тут какой-то Мариотт? Ведь его сделал Бойль.

Сделать-то он сделал, но окончательного конкретного вывода не дал.

Он больше любил проводить интересные наблюдения, ставить диковинные опыты, а потом рассказывать о них на заседаниях Королевского общества.

А создавать теории, делать выводы, предположения — скучно!

В это же время появилась еще одна академия — французская. Одним из ее организаторов был замечательный ученый, исключительно пунктуальный и последовательный человек — Эрнст Мариотт. Бойль открыл свой закон в 1662 году. Доложил об опытах и забросил их. А Мариотт независимо от него пришел к тому же самому. Зато именно он дал новому закону четкую формулировку, которой мы пользуемся и сейчас.

Произошло это в 1676 году. Но в то время наука развивалась не спеша. Сейчас мы считаем, что закон открыт одновременно и независимо друг от друга английским и французским учеными.

Через сто лет после этих событий во Франции родился еще один ученый, который продолжил работы Бойля и Мариотта по изучению газов.

Это был Жозеф Гей-Люссак. Именно ему мы обязаны рождением замечательного закона, с помощью которого сейчас без малейшего усилия докажем, что существует таинственная температура — абсолютный нуль.

Гей-Люссак также изучил поведение газов при нагревании. Для этого он создал специальную установку. Она очень напоминала аппаратуру Бойля. И вообще надо сказать, что английский физик был прекрасным экспериментатором, великолепно умел проводить различные опыты. (Эксперимент — это и есть опыт. Экспериментатор — ученый, работающий практически. Есть ведь еще и теоретики. На их письменных столах не видно ничего, кроме бумаги и ручки. Однако они умеют так глубоко заглянуть в глубь вещества, что открывают в нем многие неожиданные свойства, объясняют сложнейшие результаты, полученные экспериментаторами. А такие замечательные ученые и теоретики, как Ньютон, Ломоносов, Галилей, были и экспериментаторами.)

Но вернемся к экспериментам Гей-Люссака. Мы уже знаем, что он заинтересовался, как ведут себя газы при нагревании. Сначала Гей-Люссак, нагревая газ, давал ему возможность расширяться. Для опыта брал ту же порцию воздуха, которой пользовался Бойль. Помните трубку и пленника — воздух в запаянном ее колене? Воздух подогревается, и капелька ртути, которая закрывает ему путь к свободе, постепенно поднимается. Объем воздуха явно растет. В другом опыте Гей-Люссак решил оставить постоянный объем. Подогревая воздух, он все время добавлял ртуть во второе колено трубочки. Тогда объем воздуха действительно не менялся. Зато повышалось давление. Ведь теперь упругий воздух выдерживает давление все большего и большего количества ртути. Возрастает и давление газа. Ртуть стоит на месте. Значит, давление с той и другой стороны на нее одинаково.

Гей-Люссак произвел подсчеты. И получилось, что и объем и давление газа при нагревании увеличиваются приблизительно на одну и ту же величину. Каждый лишний градус температуры изменяет объем или давление на 1/273 часть того, что было у газа при нуле.

Увеличивают температуру, увеличивается давление. Уменьшают — давление уменьшается. Так Гей-Люссак подтвердил закон, открытый за несколько лет до этого французским ученым Шарлем. Но вот объемные соотношения он открыл сам. И доказал, что эти законы относятся ко всем газам без исключения. Водород, азот, кислород, смесь газов, называемая воздухом, — все равно.

Нагрели на один градус — получайте 1/273 объема или давления!

После того как Гей-Люссак численно сформулировал свой закон, настала очередь абсолютного нуля.

Вы уже, конечно, заметили появление этого таинственного числа 273. Если газ охлаждать, то с каждым градусом давление его уменьшится на 1/273 часть. Оно будет все меньше и меньше, пока…

Но по порядку!

На «сцене» появляется абсолютный нуль

Рассмотрим внимательно, как изменяется давление газа. На каждый градус понижения температуры приходится 1/273 часть давления. На десять градусов мороза отодвинулись мы от нуля Цельсия — на 10/273 упало давление. Ну что ж, пойдем дальше. На бумаге ведь понижать температуру легко. При — 200 °C от первоначального давления останется только 73/273. Это совсем немного.

А что будет при температуре минус 273 °C? Арифметика показывает — давление обратится в нуль. Давление газа полностью пропадет.

Но что это означает? Давление газа — удары его молекул о стенки сосуда. Выходит, при абсолютном нуле температуры молекулы должны замереть на месте. Покоящаяся молекула?

Этого не может быть! Движение — неотъемлемое свойство молекул, свойство материи.

Не могут молекулы остановиться. Выходит, невозможно достичь и такой температуры?

Да, именно так! Минус 273 градуса Цельсия или, точнее, минус 273,16 — предел понижения температур, абсолютный нуль. Более низких температур просто не существует.

Вот и добрались мы до абсолютного нуля.

Эту величину ученые получили не сразу. Не сразу вслед за открытием газовых законов взялись они за арифметические подсчеты, которые мы сделали с такой легкостью. Интереснее другое. Задолго до работ французского ученого Михайло Васильевич Ломоносов утверждал, что температурная шкала должна быть ограничена снизу, что понижать температуру безгранично нельзя. Утверждал он это, исходя из того, что существуют молекулы, что они движутся и иными быть не могут.

Ломоносов, по сути дела, предсказал появление большой области физики — кинетической теории материи. У него не было опытных данных — многие эксперименты появились сто лет спустя.