Что будет если молекулы остановятся
Что произойдёт с веществом если частицы в нём перестанут двигаться?
Что произойдёт с веществом, если элементарные частицы из которого оно состоит, перестанут двигаться?
Возможна ли остановка молекулярного движения на практике?
Дело в том, что скорость связана с кинетической энергией, если элементарные частицы перестанут двигаться, то значит они имеют нулевую скорость и нулевую энергию и нулевую температуру..
Это значит, что вещество должно быть при температуре 0 Кельвина..
И это ещё не всё: корпускулярно-волнов ая природа частиц приводит к неопределённостям Гейнзенберга, т.е. даже при абсолютном нуле невозможно абсолютная неподвижность частиц..
По идее оно должно будет исчезнуть, но не из-за аннигиляции, а из-за того, что оно должно будет остаться в прошлом, так как полная остановка его элементарных частиц, и даже молекул, будет означать остановку его времени.
Это, конечно, невозможно, потому что время не может остановиться ни с того, ни с сего, да ещё и для одного объекта, да и причины, которые приводят к замедлению времени (но опять же, не к полной остановке), не позволяют существовать веществу в обычном его виде, перед этой самой предполагаемой остановкой.
Также, как невозможна остановка во времени никакой частицы в принципе, согласно принципу неопределённости Гейзенберга, который действует в нашем мире.
На практике возможна почти полная остановка движения. Полная неподвижность невозможна по двум причинам.
Во-первых, по теореме Нернста о недостижимости абсолютного нуля. Точнее, недостижимость абсолютного нуля есть следствие их этой теоремы, но сейчас это непринципиально. В общем, коль скоро абсолютного нуля не достичь, не достичь и абсолютного покоя составляющих его молекул.
Во-вторых, по принципу неопределённостей Гейзенберга. Остановка объекта автоматом означает, что его координаты определены точно. Но точное значение координат означает абсолютную неопределённость импульса (mv). Коль скоро масса фиксирована, то это выливается в полную неопределённость скорости. Можно идти и от обратного: нулевая скорость. Это тоже точное значение. Но точное значение скорости и, значит, импульса означает и полную неопределённость координаты. То есть иметь одновременно и нулевую скорость, и какие-то фиксированные координаты никакой объект не может: он обязан двигаться (хотя скорее это будет напоминать не обычное механическое движение, а некоторую размытость атома или молекулы). Эти колебания атомов в кристаллах, охлаждённых почти до абсолютного нуля, называются нулевыми колебаниями.
Вещество исчезнет, аннигилируется.Поско льку движение элементарных частиц в определенном объеме при определенном наборе этих частиц и создает какое то вещество,предмет,жив отное.
Не знаю, почему поставили минус «Эйнштейну». Небось, списал всё? На самом деле все атомы (кроме водорода) были синтезированы в Звёздах (я тут пишу «атомы», хотя на самом деле речь идет о ядрах атомов, потому что при высоких температурах нейтральные атомы существовать не могут). В результате термоядерных реакций синтеза атомы водорода превращались в гелий, затем постепенно во всё боле и более тяжелые атомы. Вплоть до атомов железа. Дело в том, что синтез всех атомов от гелия до железа идет с выделением энергии. На этой энергии «работает» и наше Солнце, и оно тоже синтезирует разные элементы (пока в основном гелий и понемножку другие). А вот синтез атомов тяжелее, чем атомы железа, идет с поглощением энергии. Поэтому в термоядерных реакциях внутри звёзд эти элементы не образуются. Они синтезируются в основном при взрывах сверхновых звезд в результате очень мощного обстрела нейтронами уже синтезированных ранее атомов. Поглотив сразу много нейтронов, ядро атома превращается в ядра следующих, более тяжелых, элементов: нейтроны превращаются в протоны и электроны. Таким образом, все атомы в нашем теле (почти все они легче железа) были синтезированы когда-то в недрах звезд!
Нейтрон был открыт физиком Чедвиком в 1932-ом году, то есть сравнительно недавно, а позитрон немногим ранее, в 1928-ом году Полем Дираком. Название фотон было впервые введено в 1926-ом году. А вот ЭЛЕКТРОН открыли ранее, еще в 19-ом веке:
Второй момент: ясное дело, что под «лёгкий» тут подразумеваесть плотность материала.
Несмотря на то, что газ в недрах Солнца несомненно представляет собой полностью ионизированную плазму, в околоцентральной области из-за отсутствия заметных электромагнитных полей (их экранируют вышележащие слои), вещество центра Солнца ведет себя практически как идеальный газ.
Как ученые останавливают атомы и при чем тут лазеры
Любое тело состоит из атомов или молекул. Атомы находятся в постоянном движении, интенсивность которого определяется температурой тела: чем выше температура, тем быстрее движутся атомы внутри тела. Этот факт объясняет процессы плавления твердых тел (с ростом температуры связи между атомами рвутся и твердое тело превращается в жидкость) и испарения жидкостей (повышение температуры приводит к тому, что молекулы жидкости улетучиваются в газовую фазу).
Из всего сказанного следует, что температура является мерой энергии атомов и молекул. Это значит, что если охладить вещество до минимальной температуры — абсолютного нуля — атомы в нем полностью остановятся, перестав совершать какие-либо колебания или вращения. На сегодняшний день ученым удалось вплотную приблизиться к этой недостижимой на практике величине: физики научились охлаждать вещество до температур, всего на несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Но как они это делают и что при этом наблюдается?
Чтобы понизить температуру, надо замедлить атомы. Лучший способ сделать это, как ни странно, использовать лазеры. Внутри камеры исследователи удерживают облако атомов магнитным полем в центре. На него направляют лазерные лучи. Атомы в облаке движутся в одном направлении, а фотоны лазеров идут им навстречу, заставляя терять скорость. Это похоже на попытку идти против ветра. В конечном итоге ветер (поток фотонов) становится настолько сильным, что практически полностью останавливает атомы.
Что такое абсолютный ноль?
Что такое абсолютный ноль (чаще — нуль)? Действительно ли эта температура существует где-либо во Вселенной? Можем ли мы охладить что-либо до абсолютного нуля в реальной жизни? На эти и другие любопытные вопросы мы постараемся ответить в этой статье.
Так что же такое абсолютный температурный ноль?
Есть масса причин, по которым стоит интересоваться пределами холодного. Возможно, вы невероятный суперзлодей, который использует силу замораживания, и хотите понять степень вашей силы. Или вам интересно, можно ли обогнать волну холода. Давайте исследуем самые дальние пределы холодной температуры.
«Действительно ли движение останавливается, достигая абсолютного нуля? Можем ли мы достичь этой отметки?»
Начнем с очевидного.
Что такое абсолютный ноль?
Даже если вы не физик, вы, вероятно, знакомы с понятием температуры. Но если вдруг вам не повезло, вы выросли в лесу или на другой планете, вот краткий обзор.
Температура — это мера измерения количества внутренней случайной энергии материала. Слово «внутренней» очень важно. Бросьте снежок, и хотя основное движение будет достаточно быстрым, снежный ком останется довольно холодным. С другой стороны, если вы посмотрите на молекулы воздуха, летающие по комнате, обычная молекула кислорода жарит со скоростью тысяч километров в час.
Мы обычно умолкаем, когда речь заходит о технических деталях, поэтому специально для экспертов отметим, что температура немного более сложная вещь, чем мы сказали. Истинное определение температуры подразумевает то, сколько энергии вам нужно затратить на каждую единицу энтропии (беспорядка, если хотите более понятное слово; подробнее об энтропии). Но давайте опустим тонкости и просто остановимся на том, что случайные молекулы воздуха или воды в толще льда будут двигаться или вибрировать все медленнее и медленнее, по мере понижения температуры.
Когда останавливаются молекулы и атомы?
В классическом рассмотрении вопроса при абсолютном нуле останавливается все, но именно в этот момент из-за угла выглядывает страшная морда квантовой механики. Одним из предсказаний квантовой механики, которое попортило кровь немалому количеству физиков, является то, что вы никогда не можете измерить точное положение или импульс частицы с совершенной определенностью. Это известно как принцип неопределенности Гейзенберга.
Если бы вы могли охладить герметичную комнату до абсолютного нуля, произошли бы странные вещи (об этом чуть позже). Давление воздуха упало бы практически до нуля, и поскольку давление воздуха обычно противостоит гравитации, воздух сколлапсирует в очень тонкий слой на полу.
Но даже в этом случае, если вы сможете измерить отдельные молекулы, вы обнаружите кое-что любопытное: они вибрируют и вращаются, совсем немного — квантовая неопределенность в работе. Чтобы поставить точки над i: если вы измерите вращение молекул углекислого газа при абсолютном нуле, вы обнаружите, что атомы кислорода облетают углерод со скоростью несколько километров в час — куда быстрее, чем вы предполагали.
Разговор заходит в тупик. Когда мы говорим о квантовом мире, движение теряет смысл. В таких масштабах все определяется неопределенностью, поэтому не то чтобы частицы были неподвижными, вы просто никогда не сможете измерить их так, словно они неподвижны.
Можно ли достичь абсолютного нуля градусов?
Стремление к абсолютному нулю по существу встречается с теми же проблемами, что и стремление к скорости света. Чтобы набрать скорость света, понадобится бесконечное количество энергии, а достижение абсолютного нуля требует извлечения бесконечного количества тепла. Оба этих процесса невозможны, если что.
Конечно, если вы хотите остыть не по-детски, вам нужно нырнуть в глубины космоса. Вся вселенная залита остатками излучения от Большого Взрыва, в самых пустых регионах космоса — 2,73 градуса по Кельвину, что немногим холоднее, чем температура жидкого гелия, который мы смогли получить на Земле век назад.
Но физики-низкотемпературщики используют замораживающие лучи, чтобы вывести технологию на совершенно новый уровень. Вас может удивить то, что замораживающие лучи принимают форму лазеров. Но как? Лазеры должны сжигать.
Все верно, но у лазеров есть одна особенность — можно даже сказать, ультимативная: весь свет излучается на одной частоте. Обычные нейтральные атомы вообще не взаимодействуют со светом, если частота не настроена точным образом. Если же атом летит к источнику света, свет получает допплеровский сдвиг и выходит на более высокую частоту. Атом поглощает меньшую энергию фотона, чем мог бы. Так что если настроить лазер пониже, быстродвижущиеся атомы будут поглощать свет, а излучая фотон в случайном направлении, будут терять немного энергии в среднем. Если повторять процесс, вы можете охладить газ до температуры меньше одного наноКельвина, миллиардной доли градуса.
Все приобретает более экстремальную окраску. Мировой рекорд самой низкой температуры составляет менее одной десятой миллиарда градуса выше абсолютного нуля. Устройства, которые добиваются этого, захватывают атомы в магнитные поля. «Температура» зависит не столько от самих атомов, сколько от спина атомных ядер.
Теперь, для восстановления справедливости, нам нужно немного пофантазировать. Когда мы обычно представляем себе что-то, замороженной до одной миллиардной доли градуса, вам наверняка рисуется картинка, как даже молекулы воздуха замерзают на месте. Можно даже представить разрушительное апокалиптическое устройство, замораживающее спины атомов.
В конечном счете, если вы действительно хотите испытать низкую температуру, все, что вам нужно, это ждать. Спустя примерно 17 миллиардов лет радиационный фон во Вселенной остынет до 1К. Через 95 миллиардов лет температура составит примерно 0,01К. Через 400 миллиардов лет глубокий космос будет таким же холодным, как самый холодный эксперимент на Земле, и после этого — еще холоднее. Если вам интересно, почему вселенная остывает так быстро, скажите спасибо нашим старым друзьям: энтропии и темной энергии. Вселенная находится в режиме акселерации, вступая в период экспоненциального роста, который будет продолжаться вечно. Вещи буду замерзать очень быстро.
Что происходит при 0 Кельвина?
Все это, конечно, замечательно, да и рекорды побивать тоже приятно. Но в чем смысл? Что ж, есть масса веских причин разбираться в низинах температуры, и не только на правах победителя.
Хорошие ребята из Национального института стандартов и технологий, например, просто хотели бы сделать классные часы. Стандарты времени основаны на таких вещах, как частота атома цезия. Если атом цезия движется слишком много, появляется неопределенность в измерениях, что, в конечном счете, приведет к сбою часов.
Но что более важно, особенно с точки зрения науки, материалы ведут себя безумно на экстремально низких температурах. К примеру, как лазер состоит из фотонов, которые синхронизируются друг с другом — на одной частоте и фазе — так и материал, известный как конденсат Бозе-Эйнштейна, может быть создан. В нем все атомы находятся в одном и том же состоянии. Или представьте себе амальгаму, в которой каждый атом теряет свою индивидуальность, и вся масса реагирует как один нуль-супер-атом.
При очень низких температурах многие материалы становятся сверхтекучими, что означает, что они могут совершенно не обладать вязкостью, укладываться сверхтонкими слоями и даже бросать вызов гравитации в достижении минимума энергии. Также при низких температурах многие материалы становятся сверхпроводящими, что означает отсутствие какого-либо электрического сопротивления. Сверхпроводники способны реагировать на внешние магнитные поля таким образом, чтобы полностью отменять их внутри металла. В результате, вы можете объединить холодную температуру и магнит и получить что-то типа левитации.
Почему есть абсолютный ноль, но нет абсолютного максимума?
Давайте взглянем на другую крайность. Если температура — это просто мера энергии, то можно просто представить атомы, которые подбираются ближе и ближе к скорости света. Не может же это продолжаться бесконечно?
Есть короткий ответ: мы не знаем. Вполне возможно, что буквально существует такая вещь, как бесконечная температура, но если есть абсолютный предел, юная вселенная предоставляет достаточно интересные подсказки относительно того, что это такое. Самая высокая температура, когда-либо существовавшая (как минимум в нашей вселенной), вероятно, случилась в так называемое «время Планка». Это был миг длиной в 10^-43 секунд после Большого Взрыва, когда гравитация отделилась от квантовой механики и физика стала именно такой, какой является сейчас. Температура в то время была примерно 10^32 K. Это в септиллион раз горячее, чем нутро нашего Солнца.
Опять же, мы совсем не уверены, самая ли это горячая температура из всех, что могли быть. Поскольку у нас даже нет большой модели вселенной в момент времени Планка, мы даже не уверены, что Вселенная кипятилась до такого состояния. В любом случае, к абсолютному нулю мы во много раз ближе, чем к абсолютной жаре.
Физики научились останавливать тяжелые нейтральные молекулы
P. Aggarwal et al. / Physical Review Letters, 2021
Физики из коллаборации NL−eEDM смогли остановить и поймать в ловушки молекулы фторида стронция с помощью штарковского замедлителя на основе бегущей волны. Развитая ими техника позволит останавливать тяжелые нейтральные молекулы, которые невозможно поймать другими методами. Это может быть полезно для экспериментов, проверяющих фундаментальные физические законы. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Тяжелые двухатомные молекулы интересуют ученых как квантовые системы, в которых можно проверять основы фундаментальной физики. К числу таких исследований относится поиск электрического дипольного момента электрона и нарушения четности. Спектры молекул — это, как правило, главный источник подобной информации, однако, для того чтобы точность эксперимента была высока, желательно, чтобы молекулы были пойманы в ловушки или хотя бы существенно замедлены.
В случае тяжелых нейтральных молекул таких условий сложно добиться традиционными методами, например, лазерным охлаждением, в силу их большой инерции и нулевого заряда. Поэтому физики придумали метод штарковского торможения, в основе которого лежит эффект возникновения поправок к энергетическим уровням атомов и молекул, помещенных в электрическое поле (эффект Штарка). В случае, если свободно распространяющаяся молекула влетает в наведенное поле, она приобретает штарковские поправки ценой кинетической энергии. Быстрое выключение поля приводит к рассеянию этой энергии, и, следовательно, к торможению. Разместив серию электродов на пути молекул, и включая, и выключая их в правильной последовательности, можно останавливать нейтральные молекулы.
Самые тяжелые молекулы, которые удавалось остановить таким методом, — это CH3F и O2. Вместе с тем, физиков интересует замедление молекул тяжелых щелочноземельных моногалогенидов, таких, как фториды стронция и бария (SrF и BaF). Их штарковское торможение требует гораздо более длинных замедлителей, которые, однако, не обладают достаточной стабильностью, поскольку для эффективного торможения переключение электродов в них должно быть очень хорошо согласовано со скоростью молекул.
Преодолеть эти трудности удалось Парул Аггарвал (Parul Aggarwal) с коллегами из коллаборации NL-eEDM, расположенной в Гронингенском университете. Они смогли с помощью штарковского подхода затормозить и удержать молекулы SrF в ловушке на 50 миллисекунд, побив, таким образом, рекорд по тяжести захвата нейтральной молекулы в три раза. Чтобы этого добиться, авторы использовали два существенных улучшения стандартной техники. Во-первых, вместо обычного штарковского замедлителя, в котором электроды включаются и выключаются согласно некоторой программе, они использовали замедлитель на основе бегущей волны. Во-вторых, ученые разработали иной тип источника молекулярного пучка, скорость частиц в котором лежит в диапазоне от 150 до 200 метров в секунду.
Для этого они облучали стронциевую мишень лазерными импульсами с длиной волны 532 нанометра, длительностью 5 наносекунд и энергией 4 миллиджоуля на импульс. Это приводило к абляции стронция в пространство камеры, где он, вступая в реакцию с газообразным гексафторидом серы, образовывал молекулы SrF. Затем тяжелые молекулы симпатически охлаждались неоновым газом в два этапа и вылетали из камеры в штарковский замедлитель бегущей волны. На расстоянии пяти миллиметров от выхода из камеры молекулы пересекали лазерный луч, который детектировал характеристики пучка по спектрам их поглощения. Другой луч ожидал молекулы на выходе из замедлителя вместе с системой регистрации лазерно-индуцированной флуоресценции.
Схема экспериментальной установки. Во врезе показано распределение электрического поля внутри замедлителя для двух периодов волны.
P. Aggarwal et al. / Physical Review Letters, 2021
В самом начале работы физики экспериментировали со скоростями бегущей волны и выяснили что при ее скорости, равной 190 метрам в секунду, доля молекул, увлекаемых волной, максимальна. Они выбрали эту скорость в качестве стартовой для процедуры торможения, в результате которого равномерно уменьшали ее до различных финальных значений. Изучая с помощью сигнала флуоресценции то, как распределение задержанных молекул зависит от финальной скорости, авторы выяснили, что при более сильном торможении число занятых ловушек, а также число частиц в них уменьшается. Они смогли оценить разброс скоростей заторможенных молекул, который составил 10±2 и 4±1 метр в секунду для финальных скоростей, равных 170 и 10 метров в секунду соответственно.
Наконец, физики попробовали полностью остановить молекулы. Для этого они доводили скорость бегущей волны до нуля, удерживали ловушки неподвижно в течение некоторого времени, а затем выталкивали молекулы из замедлителя для измерения сигнала на выходе. Оказалось, что таким способом можно удерживать частицы до 50 миллисекунд. В последнем случае занятыми молекулами оказываются лишь пять периодов волны. Средняя скорость молекул при этом составляет 4±1 метров в секунду, что соответствует температуре 60±20 милликельвин.
С помощью комбинированного анализа эффективности флуоресценции, а также эффективности захвата молекул в замедлителе, физики оценили их количество, которое составило около тысячи молекул на 16 ловушек. По этому параметру их ловушки оказались сопоставимы с первыми магнито-оптическими ловушками, использованными для захвата молекул SrF. И хотя молекулы SrF можно охлаждать и ловить с помощью лазера, развитый ими метод можно использовать для тех объектов, к которым указанные оптические методы не применимы. В частности, они планируют задерживать таким способом еще более тяжелые молекулы BaF, чтобы использовать их для проверки фундаментальных законов.
Чтобы быть холодным, ансамблю частиц не обязательно быть медленным, ведь в системе его центра масс средняя скорость частиц равна нулю. Пользуясь этим принципом, физики научились точно измерять спектральные свойства ионов, разогнанных до релятивистских скоростей.
Что будет если молекулы остановятся
Абсолютный ноль отражает прекращение колебательного движения электронов в атомах замороженного вещества. Считается, что абсолютный ноль на практике недостижим. Его существование и положение на температурной шкале следует из экстраполяции наблюдаемых физических явлений, при этом такая экстраполяция показывает, что при абсолютном нуле энергия теплового движения молекул и атомов вещества должна быть равна нулю, то есть хаотическое движение частиц прекращается, и они образуют упорядоченную структуру, занимая чёткое положение в узлах кристаллической решётки. Однако, на самом деле, даже при абсолютном нуле температуры регулярные движения составляющих вещество частиц останутся. Оставшиеся колебания, например нулевые колебания, обусловлены квантовыми свойствами частиц и физического вакуума, их окружающего.
))Абсолютный ноль — это одна из концепций с интригующим названием и обманчиво простым определением. До наступления эры квантовой механики определение абсолютного нуля действительно было предельно простым. Молекулярно-кинетическая теория выявила статистическую связь между движениями атомов и молекул и температурой, и природу температуры стало возможно представить наглядно: чем быстрее движутся молекулы, тем выше температура, и наоборот. При такой картине нетрудно догадаться, что имеется нижний предел температуры, по достижении которого атомы и молекулы перестают двигаться окончательно. Значение абсолютного нуля оказалось равным –273°C.
При температуре абсолютного нуля тепловое движение прекращается. Это утверждение, однако, отнюдь не означает, что прекращается всякое вообще движение частиц внутри тела. Согласно квантовой механике движение частиц никогда не прекращается полностью. Даже при абсолютном нуле должно сохраниться некоторое колебательное движение атомов внутри молекул или колебания атомов вокруг узлов кристаллической решетки твердого тела. Это движение — его называют нулевыми колебаниями — представляет собой квантовое явление.
Абсолютный нуль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. В 1954 X Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой — тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 °C, так что по шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C
хаотическое движение частиц прекращается, и они образуют упорядоченную структуру, занимая чёткое положение в узлах кристаллической решётки (жидкий гелий составляет исключение). Однако, с точки зрения квантовой физики и при абсолютном нуле температуры существуют нулевые колебания, которые обусловлены квантовыми свойствами частиц и физического вакуума, их окружающего
такая экстраполяция показывает, что при абсолютном нуле энергия теплового движения молекул и атомов вещества должна быть равна нулю, то есть хаотическое движение частиц прекращается, и они образуют упорядоченную структуру, занимая чёткое положение в узлах кристаллической решётки (жидкий гелий составляет исключение).
Шкала Кельвина (К) — это используемая в науке температурная шкала, в которой за начало принят абсолютный ноль (считается наименьшей возможной температурой), а далее отсчет производится в градусах по Цельсию. Поскольку абсолютный ноль равен минус 273 градусам по Цельсию, значит, 0 градусов по Цельсию равны 273 К.
Абсолютный ноль — это одна из концепций с интригующим названием и обманчиво … Если бы атомы просто остановились как вкопанные, мы бы, в таком случае, могли … шарообразных частиц, свободно перекатывающихся друг относительно друга подобно дробинкам в мешке.
lotus1
Абсолю́тный нуль температу́ры (реже — абсолютный ноль температуры) — минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной. Абсолютный нуль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. )))
при абсолютном нуле энергия теплового движения молекул и атомов вещества должна быть равна нулю, то есть хаотическое движение частиц прекращается, и они образуют упорядоченную структуру, занимая чёткое положение в узлах кристаллической решётки
Абсолютный ноль это величина приблизительно такая же как абсолютно твёрдое тело т.к. в природе существовать не может, так же как и абсолютный ноль. Ну а то что ты понимаешь под этим, так это они просто прекращают своё движение
ну если с точки зрения физики то да а если с каких нибудь других точек(химия,психология али политика)то это к спецам;хотя если взять политиков то с физикой у них абсолютное совпадение.
При температуре близкой к абсолютному нулю (абсолютный ноль еще не достигнут, дерзайте и будете Нобелевским лауреатом) наблюдается явление сверхпроводимости. Интересно?