Написать текст

Больше, чем физика. Часть 9. Дыхание абсолютного холода

Александр Чушков


Уйду, уйду, на утренней заре,
По ветерку, умчусь к сибирским тундрам.
…Владычество мое в Сибири вечно

(Александр Островский «Снегурочка»)

Внутренняя энергия тела — это сумма энергий молекул, из которых тело состоит. Каждая молекула движется, и поэтому обладает механической энергией. Эта энергия зависит от массы молекулы, но ещё больше от скорости её движения. А сумма всех энергий всех молекул это и есть внутренняя энергия. То есть, это энергия, которая как бы содержится внутри тела.

Понятно, что, чем больше тело, тем больше в нём молекул, и тем больше его внутренняя энергия. Но такая количественная закономерность мало интересна, это тот случай, когда говорят: тупое количество. Интересна другая связь. Связь между скоростью движения молекул и внутренней энергией тела.

Все молекула не могут двигаться с одинаковой скоростью, поэтому в молекулярной физике принято иметь дело со средними величинами. И одной из главных таких величин является средняя скорость движения молекул. Это как автомобили на трассе. Они могут двигаться с разными скоростями, какой-то с большей, какой-то с меньшей, но если сложить все скорости и поделить на число автомобилей, то получится какая-то средняя скорость.

То же и с молекулами. Или, к примеру, есть люди высокие, есть низкие, есть среднего роста. Причём, распределяется всё так, что большинство людей обладают ростом близким к среднему. Очень высоких и очень низких людей намного меньше. Так и с молекулами. Есть быстрые, есть медленные, но большинство молекул движется со скоростями близкими к средней.

Физическая величина, которая является мерой средней скорости движения молекул, называется температурой. Чем быстрее движутся молекулы, тем больше температура тела. Между температурой тела и его внутренней энергией есть строгая зависимость, которая определяется через особую величину, называемую постоянной Больцмана. Больцман — это фамилия австрийского физика, который изучал эти закономерности.

И вот тут, поскольку температура неразрывно связана со скоростью движения молекул, возникает предположение о такой температуре, при которой всякое движение прекращается. То есть, о минимально возможной температуре. И такая температура давно посчитана, по шкале Цельсия это приблизительно -273 градуса. Или абсолютный ноль по шкале Кельвина. Ниже этой температуры, ниже -273 градусов Цельсия, температуры быть не может.

Получается, что в природе существует предел холода. Мы знаем, что зимой температура иногда падает до -30, а в Сибири может падать и до -60. В Антарктиде минимальная зафиксированная температура была около -90. На поверхности тёмной стороны Луны, то есть, лунной ночью, температура падает и до -140, а на дальних планетах — Уран, Нептун — доходит до -200. Температура межзвёздного пространства примерно -270 по Цельсию. В лабораторных условиях учёные могут приближать температуру и к -273, но всё равно строгий абсолютный ноль недостижим.

Сколь угодно близкую температуру к абсолютному нулю учёные получают, а вот идеальный абсолютный ноль — это недостижимый идеал. Не могут молекулы остановится полностью. Таким образом, температура абсолютного нуля роднится со скоростью света. Скорость света тоже является недостижимой для объектов, обладающих массой. Учёные в ускорителях разгоняют частицы до скоростей сколь угодно близких к скорости света, но сам световой барьер остаётся недостижимым, и, тем более, невозможно разогнать частицы до скоростей больших, чем скорость света. Так и с температурой. Можно подойти к абсолютному нулю сколь угодно близко, но нельзя заморозить тело до строго абсолютного нуля, и, тем более, невозможно получить температуру ниже его.

Невозможно. Помните, мы говорили, что физика изучает возможное, а больше, чем физика позволяет нам заглянуть в невозможное. И мы с вами уже осторожно заглядывали в невозможное, рассуждая о том, что может нас ждать по ту сторону светового барьера. Теперь заглянем в невозможное с другой стороны. Попытаемся предположить, что же может нас ожидать по ту сторону абсолютного нуля?

Мы уже однажды обращались к творчеству Евгения Шварца, когда говорили о тени. Обратимся снова. Есть у него ещё пьеса, созданная по мотивам сказки Андерсена, многие её хорошо знают, называется она «Снежная Королева». Почему я говорю именно о пьесе Шварца, а не о самой сказке Андерсена, потому что в пьесе есть то, чего нет в сказке, и оно очень важно. Мы ещё неоднократно будем обращаться к этой пьесе. Там, к примеру, в отличие от сказки, есть два ключевых персонажа — Советник и Сказочник, их роль очень важна для понимания некоторых процессов. Или, к примеру, дворец, разделённый между королём и его дочкой — принцессой, это тоже важный символ. Поэтому будем говорить именно о пьесе, а не о сказке. Хотя, и сказка тоже не так проста, как может показаться. Одно задание Снежной Королевы, которое должен был выполнить Кай, чего стоит? О нём мы тоже обязательно поговорим.

Итак, Снежная Королева — это некоторое олицетворение абсолютного холода. Можно подумать, что Снежная Королева — это олицетворение абсолютного нуля, но, дело в том, что ноль не может быть активным, а Королева и в сказке, и в пьесе представляет собой активное начало. Если, к примеру, в электричестве есть положительные и отрицательные заряды, то в теплофизике есть только большее, или меньшее содержание внутренней энергии, или большее, или меньшее содержание теплоты. Отрицательной внутренней энергии не бывает. Поэтому холод, по сути, это просто малое количество тепла.

Есть такая популярная в интернете байка, которая заканчивается словами: «А звали студента Альберт Эйнштейн». Я уже говорил, что Эйнштейну любят приписывать всё, что надо, и не надо. Так вот это тот случай, когда Эйнштейну приписывают то, что не надо. В этой байке студент и профессор рассуждают о добре и зле, и кто-то из них приводит такой довод, что холода нет, есть недостаток тепла. И, с точки зрения физики, это, действительно, так. Есть носители тепла — это движущиеся молекулы, а носителей холода в природе не существует. По сути, холод — это те же движущиеся молекулы, только такие, которые движутся относительно медленно.

Из этого выходит, что не существует и источников холода. Но, тем не менее, как-то ведя мониторинг погоды в середине осени, я заметил, что на востоке Якутии появился небольшой район сравнительно низкой температуры. Температура воздуха в этом районе была значительно ниже, чем во всей остальной Евразии. А дальше, наблюдая день за днём, я видел, как этот район холода рос и распространялся сначала на весь восток Якутии, затем на всю Якутию, дальше на всю Восточную Сибирь, потом на всю Сибирь. Так холод, выйдя из одного небольшого района, захватывал материк. Выглядело всё так, как будто там, на востоке Якутии, осенью появился источник холода и начал нагонять холод на окружающее пространство.

Вот тогда я подумал о скрытом смысле Снежной Королевы. Снежная Королева олицетворяет именно это, не существующее в физике явление — источник холода. И если бы Снежная Королева существовала в реальном мире, то состояла бы она не из молекул, не из носителей тепла, а из других частиц, которые бы являлись носителями холода.

Что интересно, в славянских сказках и мифах есть такой персонаж — Мара Морёвна. Мара Морёвна — это одновременно олицетворение и зимы, и смерти. Известный всем праздник Масленица происходит из древнего славянского обряда — сжигание чучела Мары. И ещё, я уверен, это не случайно, слово мороз имеет тот же корень, что и слово мор (мор — это массовая смерть, от эпидемии, или по какой-то другой причине). И во многих европейских языках корень «мор» присутствует в словах, связанных со смертью.

Но жизнь и смерть мы разберём позже. А пока остановимся на этих загадочных носителях холода, из которых могли бы состоять сказочные Снежная Королева и Мара Морёвна. Если это не молекулы, а какие-то другие частицы, то какие? И чем они должны принципиально отличаться от молекул? Ведь отличие таких частиц от молекул должно быть принципиальным. Вот об этом отличии мы и поговорим в следующий раз.

Подпишитесь на наш канал в Telegram, чтобы читать лучшие материалы платформы и быть в курсе всего, что происходит на сигме.

Автор

Александр Чушков
Александр Чушков
Подписаться