Борис Смагин - Вблизи абсолютного нуля

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!

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.

Но гениальный ученый смотрел вперед, далеко обгоняя свое время.

Ведь в конце концов действительно дело не в арифметике. Раз скорость движения молекул падает при охлаждении — должен быть предел, так как остановиться, замереть молекулы не могут.

Кажется, простой вывод. Как будто все ясно и так. А между тем надо было быть гениальным Ломоносовым, чтобы утверждать это в конце XVIII века, когда наука только еще становилась на ноги, когда мрак средневековья сменился узенькой полоской неяркого света. И главное — то, что Ломоносов дал представление об абсолютном нуле не из арифметических подсчетов, а используя глубокие представления о строении мира.

Гений выше других на много голов и видит он далеко вперед!

Однако предвидения Ломоносова стали законами физики лишь сто лет спустя.

Сразу же после Гей-Люссака за газы взялся английский ученый Уильям Томсон. Он, можно сказать, окончательно разделался с абсолютным нулем.