Абсолютный ноль и коктейли с жидким азотом: поразительные факты о крайне низких температурах

От парящей магнитной железнодорожной системы и мороженого с супер однородной консистенцией, до современных медицинских сканеров, лунных холодовых ловушек и многого другого, экстремальный холод необходим для следующей волны научных разработок.

10. Сверхпроводники и парящие поезда

В 1911 году, когда ученые впервые экспериментировали с методами экстремального охлаждения, голландский физик Хейке Камерлинг Оннес (Heike Kamerlingh Onnes) обнаружил нечто удивительное в электропроводности определенных материалов. Он заметил, что, как только температура падает ниже определенного порога, сопротивление простых элементов, таких как ртуть, становится нулевым. При низких температурах эти материалы становятся совершенными проводниками электричества, отсюда и их название «сверхпроводники». В замкнутом контуре, состоящем из сверхпроводящего материала, электрический ток мог бы течь вечно без потерь.

Еще более интересными сверхпроводники становятся, если поместить их поверх сильного магнита. Под влиянием сильного магнитного поля появляется внутренний магнетизм, индуцируемый в сверхпроводнике, который затем отталкивается от магнита, на котором находится. Это магнитное отталкивание приводит к тому, что сверхпроводник бросает вызов гравитации и парит в воздухе, как миниатюрный ховерборд. Японские инженеры даже построили железнодорожную систему, которая работает именно по этому принципу. У поездов SC Maglev вместо колес сверхпроводящие магниты. Они охлаждаются с помощью резервуаров с жидким гелием и поезд парит на 10 сантиметров выше магнитных путей. В апреле 2015 года во время испытания на трассе вблизи горы Фудзи скоростной поезд серии L0 SC Maglev установил мировой рекорд, двигаясь со скоростью 603 километра в час.

В настоящее время все известные сверхпроводники могут работать только в экстремальном холоде, а это означает, что у них довольно ограниченный диапазон использования. Даже самые сложные сверхпроводящие материалы, такие как оксид иттрия-бария-меди, теряют свою сверхпроводимость, как только температура поднимается выше -173 градусов Цельсия. Перед учеными сейчас стоит задача найти способ сохранения сверхпроводящих свойств при комнатной температуре.

9. Магнитно-резонансная томография

Жидкий гелий – это важный компонент, необходимый для работы магнитно-резонансных томографов (МРТ) — технологии неинтрузивной визуализации, которая позволяет медикам заглянуть внутрь тела пациентов. Катушки с металлической проволокой внутри сканнера обработаны ультрахолодной жидкостью для того, чтобы уменьшить их электрическое сопротивление. Эти провода генерируют сильное магнитное поле в 40 000 раз превышающее поле Земли.

Есть проблема, связанная с существующими установками: у нас заканчивается гелий. Наблюдается дефицит этого вещества без возможности его воспроизведения. Для среднего сканера требуется 1 700 литров жидкого гелия, чтобы охладить магнитные катушки до температуры -269 градусов Цельсия.

8. Конденсат Бозе-Эйнштейна

Низкие температуры могут привести к очень странному поведению газов. Как правило, в газообразном состоянии атомы постоянно движутся с высокой скоростью, отскакивают от стенок контейнера и сталкиваются друг с другом. Если газ нагреть, движение атомов станет еще более энергичным и беспорядочным. Однако, если некоторые газы охладить до очень низкой температуры (около -273 градусов Цельсия), отдельные атомы начинают резко терять свою энергию. В конце концов, когда атомы больше не могут терять энергию, они образуют экзотический тип материи, известный как конденсат Бозе-Эйнштейна (Bose-Einstein).

Одним из самых странных и удивительных свойств конденсата является его способность замедлять и останавливать свет. Датский физик Лин Хау (Lene Hau) использовала этот принцип, чтобы замедлить лазерный луч со скорости света до 17 метров в секунду. Хау и ее команда продолжили разработку техники хранения в конденсате отдельных импульсов света. Это невероятное открытие может помочь в создании новых методов хранения данных, особенно в квантовых компьютерах.

Хотя Альберт Эйнштейн и Сатьендра Нат Бозе (Satyendra Nath Bose) впервые пришли к этой идее в 1920-х годах, первый конденсат появился только 70 лет спустя. Это случилось в 1995 году, когда американские физики Эрик Корнелл (Eric Cornell) и Карл Виман (Carl Wieman) успешно охладили газ, состоящий из атомов рубидия, до 170 nК, что более чем в миллион раз холоднее, чем в космосе. За выдающийся вклад в научные исследования эти двое совместно с профессором Массачусетского технологического института Вольфгангом Кеттерле (Wolfgang Ketterle) в 2011 году удостоились Нобелевской премии по физике.

7. Криотерапия

Криотерапия — это общий термин, который относится к применению низких температур в лечении. Чаще всего химические вещества, находящиеся при температуре ниже нуля, с помощью специального криозонда используют для удаления аномальных клеток ткани. Сюда входит все: от заморозки бородавки до уничтожения раковой опухоли.

Некоторые сторонники криотерапии утверждают, что у нее есть множество других фантастических способов применения. Говорят, что погружение в кабину с температурой -100 градусов по Цельсию может предотвратить деменцию, уменьшить депрессию и даже помочь похудеть. Но доказательства этого фейковые.

6. Кратеры на Луне

Самое холодное место в Солнечной системе находится гораздо ближе к нам, чем можно было бы подумать. Сначала полагали, что это поверхность Плутона. Но в 2009 году ученые обнаружили вокруг южного полюса Луны кратеры, температура в которых зимой может опускаться до -248 градусов Цельсия. Лунный разведывательный орбитальный аппарат НАСА сделал это открытие, измерив уровень радиации, находясь на высоте 50 километров над поверхностью Луны.

Самая низкая температура внутри лунных разломов, которые постоянно отбрасывают тень, то есть туда никогда не попадает солнечный свет. Эти кратеры с крайне низкой температурой действуют как «холодовые ловушки», захватывая элементы и летучие газы, которые можно использовать, чтобы отследить активность Луны. Например, минералы, обнаруженные в Кабеусе (Cabeus), кратере диаметром 98 километров у южного полюса позволяет узнать историю ударов комет. Тем не менее, поверхность Луны не всегда очень холодная. Температура резко меняется в зависимости от времени и ее положения. В полдень на экваторе так жарко, что можно вскипятить воду, а ночью на полюсах температура почти сравнима с температурой жидкого кислорода.

5. Мороженое с жидким азотом

Обычное мороженое производится с помощью специализированных коммерческих морозильных камер, где молоко, сливки и сахар взбивают в единую вкусную смесь. Однако, некоторые производители любят оригинальность. Они начали экспериментировать, добавляя в смесь ультрахолодные реагенты. Процесс производства мороженого длительный, но с использованием жидкого азота производители могут готовить партию в течение нескольких минут. Одной из ключевых задач для производителей мороженого является обеспечение того, чтобы смесь была заморожена как можно быстрее. Если жидкость замерзает долго, в ней образуются большие зубчатые кристаллы льда. Они портят качество мороженого.

Однако при быстрой заморозке с помощью жидкого азота, кристаллы намного меньше. У мороженого равномерная консистенция, что делает его идеальным. Этот научный опыт стал популярным в шикарных, специализированных ресторанах и среди экстравагантных шеф-поваров. Мороженое с идеальной консистенцией взбивается в клочьях белого тумана и подается клиентам, желающим попробовать что-то необычное. В одном ресторане в Бруклине зашли так далеко, что добавляют жидкий азот в свой горячий шоколад.

4. Коктейли с жидким азотом

Кулинарные эксперименты с использованием жидкого азота не ограничиваются молочными десертами. Жидкий азот, температура которого достигает -196 градусов по Цельсию, используется для разных целей: крио-бланширования овощей, измельчения замороженных трав, расщепления ягод на крошечные ледяные капельки и многого другого. Некоторые бармены даже пошли дальше, наливая в свои напитки химический реагент с отрицательной температурой, чтобы получить «вау» эффект. У коктейлей с жидким азотом образуется белый туман, который висит над верхней частью бокала. Они пользуются большой популярностью среди клиентов, желающих попробовать нечто новенькое. Однако в этих модных напитках есть потенциальный риск.

В 2012 году женщине из Великобритании пришлось перенести операцию по удалению части желудка после употребления опасного напитка. После ночи в баре «Оскар» в Ланкастере, где она эффективно заморозила себе внутренности, восемнадцатилетней Габи Скэнлон (Gaby Scanlon) пришлось провести резекцию желудка. После этого инцидента криогенные коктейли попали под удар. Британская ассоциация по сжатым газам (British Compressed Gases Association) заявила, что добавление жидкого азота в напиток является «чрезвычайно глупой» затеей.

3. Выживание жизнестойких животных

Большинство известных нам существ не могут выживать в крайне низких температурах, особенно это касается теплокровных млекопитающих. Люди впадают в состояние гипотермии, как только температура тела опускается ниже 35 градусов Цельсия. Сердце и другие внутренние органы уже не могут нормально функционировать. Длительное воздействие холода может привести к их полному отключению. Тем не менее, есть несколько жизнестойких маленьких существ, которые могут выживать при температурах, невообразимых для нас, людей. Наиболее впечатляющей является крошечная паразитическая пиявка из Восточной Азии, известная как Ozobranchus jantseanus. Японские исследователи обнаружили, что эти пиявки до 24 часов могут выдерживать температуру около -196 градусов Цельсия.

Раньше было известно только два существа, способных выдержать такую температуру — водяные медведи и личинки дрозофилы. Однако оба вида могли продержаться только час. Более того, целая партия пиявок смогла выжить целых девять месяцев при температуре -90 °C — всего на несколько градусов выше самой низкой естественной температуры, когда-либо измеренной на Земле. Некоторым даже это удавалось в течение 2,5 лет. Ученые по-прежнему недоумевают, почему эта восточноазиатская пиявка так легко приспосабливается к экстремальным холодам, особенно если учесть, что в дикой природе она никогда не сталкивалась с такими температурами. Если они смогут найти ответ, это может помочь улучшить методы криоконсервации.

2. Серьезные травмы

В то время как некоторые существа могут выжить в течение нескольких часов при температуре значительно ниже нуля, для подавляющего большинства из нас такая температура невероятно опасна. Вы решите, что худшее, что может сделать низкая температура – это приморозить ваш язык к фонарному столбу. Но при таких уровнях температуры даже кратковременное воздействие может нанести необратимый ущерб. Например, жидкий азот может заморозить кожу или глазную жидкость, что приведет к обморожению, повреждению глаз или даже хуже. Один человек, неразумно использовавший жидкий азот, впал в кому. Летом 2013 года компания по производству энергетических напитков Jagermeister решила устроить рекламную вечеринку у бассейна в городе Леон, Мексика. Чтобы добавить особую атмосферу празднику, организаторы хотели, чтобы над бассейном висел туман.

Когда жидкий азот закипает, он производит облако азотного тумана. Поэтому вместо использования машин, генерирующих туман, организаторы выливали в бассейн ведра жидкого азота. Результаты были катастрофическими. Криогенные химикаты определенно произвели много тумана, но они также отправили девять человек в больницу. Находящиеся у бассейна вместо кислорода стали вдыхать азотный туман и стали задыхаться. После того, как несколько человек потеряли сознание, парамедикам пришлось вытаскивать людей в безопасное место, а один 21-летний молодой человек даже впал в кому. К счастью, позже все пострадавшие на вечеринке поправились.

1.Абсолютный ноль

Среди всех температур из данного списка самой холодной является абсолютный ноль. Теоретически абсолютный ноль — это самая низкая температура. Нет ничего холоднее. При такой температуре газовые частицы лишены энергии. Их движение может быть обусловлено мельчайшими флуктуациями, вызванными законами квантовой физики. Абсолютный ноль — это такая замечательная температура, что в 1954 году ученые создали совершенно новую температурную шкалу. Они назвали эту шкалу Кельвином (K) в честь ирландского физика лорда Кельвина (Kelvin). Как следует из названия, абсолютный ноль соответствует нулю по шкале Кельвина (0 K), что составляет -273,15 градусов Цельсия. Мы уже говорили о температурах на долю градуса выше 0 К, когда говорили о конденсате Бозе-Эйнштейна.

Конечно, абсолютный ноль — это чисто теоретическая температура. Третий закон термодинамики говорит нам, что для достижения такой низкой температуры потребуется бесконечное количество работы. Тем не менее, ученым, экспериментирующим с методами лазерного охлаждения, удалось подобраться удивительно близко. В 2015 году физики из Стэнфордского университета (Stanford University) охладили облако атомов рубидия до температуры на 50 триллионных долей градуса выше 0 К, что является рекордно низкой температурой. По мере того как эти передовые методы охлаждения продолжают развиваться, будут происходить новые открытия. На рубеже 20-го века жидкий азот был относительно новым явлением. Теперь у нас есть технология, позволяющая экспериментировать при температуре близкой к абсолютному нулю. Что нас ждет в ближайшие 100 лет, покажет только время.