Часто можно услышать, что в космосе царит жуткий холод, и это кажется вполне логичным. В конце концов, чем выше мы поднимаемся, тем становится прохладнее. Однако в самом космическом пространстве температуры как таковой не существует. Так где же находится самое холодное место во Вселенной? Ответ на этот вопрос раскроет несколько удивительных фактов.
На каждые 300 метров подъема средняя температура снижается примерно на 3°C. Если захочется блеснуть знаниями, это явление называется адиабатическим градиентом температуры (изменение температуры воздуха при изменении высоты). Эти значения привычны для тех, кто использует метрическую систему.
Большая часть мира использует шкалу Цельсия вместо шкалы Фаренгейта, и история возникновения последней довольно любопытна. Даниэль Фаренгейт, работавший в XVIII веке, начал с создания самой холодной жидкой смеси, которую он мог легко получить в своей лаборатории, смешав лед, воду и соль, и назвал эту точку «нулем». Затем он разработал шкалу и размер каждого градуса так, чтобы точки кипения и замерзания воды находились на расстоянии 180 градусов друг от друга: 100°C и 0°C соответственно.
Холодный факт №1
И здесь мы подходим к первому интересному моменту. Точки замерзания и кипения по Фаренгейту возникли из-за желания установить разрыв в 180 градусов между «противоположными» состояниями воды. Число 180 традиционно используется для обозначения противоположностей: именно столько градусов разделяют диаметрально противоположные точки на любой окружности, подобно тому как в речи до сих пор используют выражение «разворот на 180 градусов».
В отличие от льда и пара, которые существуют в огромных температурных диапазонах — лед в пределах почти трехсот градусов, а пар в пределах нескольких тысяч — жидкая вода при нормальном давлении существует в узком промежутке в 100 градусов по Цельсию.
Холодный факт №2
Второй факт: диапазон существования воды сужается, если находиться не на уровне моря. Температура кипения воды падает примерно на полградуса Цельсия на каждые 168 метров высоты. На вершине горы Вашингтон в Нью-Гэмпшире самый горячий кофе будет на 7°C холоднее, чем в Бостоне. Эту разницу легко почувствовать, так как вода в 800 раза плотнее воздуха, и любое небольшое изменение температуры жидкости очень заметно.
При дальнейшем подъеме точка кипения продолжает стремительно падать, пока на высоте около 19 200 метров вода не закипит при температуре человеческого тела. Это явление известно как предел Армстронга. На этой высоте открытые биологические жидкости, такие как слезы или выделения из носа, закипают мгновенно. Это опасная зона для человека. Стоит отметить, что этот предел назван не в честь астронавта Нила Армстронга, а в честь Гарри Армстронга, врача и генерала военно-воздушных сил.
Жидкая вода может существовать только под давлением. Океаны на спутнике Юпитера Европе остаются жидкими только потому, что толстый слой льда, покрывающий этот мир, обеспечивает необходимое давление. Здесь, на Земле, атмосферное давление позволяет существовать озерам и морям. Но если попытаться привезти ведро воды на Марс, где атмосферное давление составляет всего один процент от земного, она мгновенно закипит и одновременно замерзнет, превратившись в причудливую ледяную скульптуру. То же самое произойдет и на Луне.
Может показаться, что в космосе, далеко за пределом Армстронга, должно быть абсолютно холодно. Но это не совсем так…
Холодный факт №3
Космос, будучи вакуумом, вообще не имеет температуры. Дело в том, что температура — это лишь способ выразить движение атомов. Будь то твердое тело, жидкость или газ, температура любого объекта — это просто скорость, с которой движутся или колеблются его атомы. Молекулы воздуха при комнатной температуре движутся со скоростью около 1667 км/ч. Но в космосе, который по сути является пустотой, температуры нет.
Если поместить в космос какой-либо объект, например, человеческое тело, тепло будет уходить из организма. Но это будет происходить медленно, и холод почувствуется не сразу. Подобно термосу с вакуумной изоляцией, атомам кожи не с чем будет сталкиваться, чтобы замедлить свое движение. Таким образом, космос на самом деле довольно хорошо сохраняет тепло человеческого тела. Но в конечном итоге наступит равновесие с окружающей средой.
Раньше считалось, что это равновесие наступает при «абсолютном нуле». Однако с 60-х годов известно, что остаточная энергия от Большого взрыва (реликтовое излучение) пронизывает все пространство и эквивалентна примерно -270,5°C. Это самый сильный холод, до которого может остыть объект в открытом космосе.
По крайней мере, так считалось до определенного времени.
Самое холодное место во Вселенной?
В 1995 году астрономы, изучавшие туманность Бумеранг в созвездии Центавра, обнаружили, что она расширяется. Когда что-то расширяется, оно охлаждается — точно так же, как баллончик со взбитыми сливками при нажатии на дозатор. На сегодняшний день это самое холодное известное место во Вселенной.
Планетарная туманность — это область космического газа и пыли, образованная из сброшенных внешних слоев умирающей звезды. Бумеранг расширяется чрезвычайно быстро, потому что его умирающая звезда теряет массу примерно в 100 раз быстрее, чем другие подобные звезды, и в 100 миллиардов раз быстрее нашего Солнца.
Доктор Рагвендра Сахаи из Лаборатории реактивного движения НАСА, один из первооткрывателей этого холодного региона, сообщает, что температура там составляет около 1 кельвина, или -272°C. Это внешние области холодного ветра, выдуваемого умирающей звездой.
Даже фоновое свечение в -270,5°C, оставшееся после Большого взрыва, теплее этой туманности. Это единственный обнаруженный на данный момент объект с температурой ниже реликтового излучения.
Настоящее самое холодное место во Вселенной
Речь идет о самом холодном месте естественного происхождения. Лорд Кельвин, исследователь XIX века, понял, что предметы могут быть намного холоднее, чем нулевая отметка на шкале Фаренгейта или Цельсия. (Андерс Цельсий просто установил ноль на отметке замерзания воды).
В результате многочисленных экспериментов ученые пришли к выводу, что всякое движение атомов прекращается при достижении температуры -273,15°C. А поскольку атомы не могут двигаться медленнее, чем в состоянии полного покоя, это и есть предел холода. Кельвин назвал это «абсолютным нулем». В науке эта точка обозначается как 0 К (ноль Кельвинов). Градус Кельвина по величине равен градусу Цельсия, но шкалы начинаются в разных точках.
В современных научных лабораториях удалось достичь температур, всего на несколько миллиардных долей градуса превышающих абсолютный ноль. Это представляет огромный интерес для науки, так как при приближении к такой температуре с веществом происходят удивительные вещи.
-
Во-первых, вещества теряют вязкость, то есть сопротивление движению. Когда гелий охлаждается до такой температуры и становится жидким, он буквально карабкается вверх и выливается из контейнера, как будто гравитации не существует.
-
Во-вторых, даже до достижения такой степени холода проводники полностью теряют сопротивление электрическому току. Но самое странное явление предсказал Альберт Эйнштейн в 1924 году, развив идею индийского физика Шатьендраната Бозе. Квантовая механика утверждает, что невозможно одновременно точно знать и скорость движения, и положение микроскопических частиц. Но при абсолютном нуле частицы неподвижны. Если изучать такой объект, можно увидеть его точное положение. Не нарушает ли это принципы квантового мира?
Оказалось, что нет. Чтобы сохранить законы квантовой механики, должно произойти качественное изменение. И оно происходит. По мере приближения к абсолютному нулю атомы замедляются, но вместо того, чтобы оставаться отдельными частицами, они «размываются» и сливаются в единую новую сущность — своего рода суператом, в котором их индивидуальность исчезает.
Это совершенно новое состояние материи, которое не является ни газом, ни жидкостью, ни твердым телом, ни плазмой. Оно обладает уникальными свойствами. 5 июня 1995 года была достигнута рекордно низкая температура, и группа ученых создала первый конденсат Бозе — Эйнштейна — пятое состояние материи.
Сам по себе космос, из-за небольшого тепла реликтового излучения, не обеспечивает достаточного холода для естественного образования такого конденсата на других планетах. Таким образом, это странное новое состояние материи, как и самые низкие температуры в известной Вселенной, на данный момент можно найти только здесь, на Земле!
