Почему молекулы никогда не прекращают своё движение?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

Мы привыкли думать о покое как о естественном состоянии вещей. Лежит камень — значит, покоится. Но на самом деле, даже в кажущейся неподвижности скрывается бурная активность. Мир вокруг, и мы сами, — это непрекращающийся танец, разворачивающийся на уровне молекул. И этот танец не прекращается никогда, даже при температурах, близких к абсолютному нулю. Почему так происходит? Ответ лежит на пересечении физики повседневной жизни и странного, контринтуитивного мира квантовой механики.

Температура: не просто «горячо» или «холодно»

Когда мы говорим о температуре, чаще всего имеем в виду субъективное ощущение тепла или холода. Но на микроскопическом уровне температура — это мера средней кинетической энергии молекул. Чем выше температура, тем быстрее они двигаются, вибрируют и вращаются. Логично предположить, что, отнимая тепло, мы можем замедлить молекулы до полной остановки. Теоретически, абсолютный ноль (0 Кельвинов, или -273,15 градусов Цельсия) должен был бы стать концом движения. Но тут в игру вступает квантовая механика и рушит наши представления о реальности.

Иллюстрация
Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Наблюдатель всегда вмешивается

Прежде всего, стоит вспомнить об эффекте наблюдателя. Само измерение температуры неизбежно вносит возмущения в систему. Мы можем повлиять на температуру молекулы, просто пытаясь ее измерить. Это происходит потому, что молекула взаимодействует с измерительным прибором, обмениваясь с ним энергией. Но это лишь верхушка айсберга. Более глубокие причины вечного движения молекул скрываются в квантовых принципах.

Принцип неопределенности: нельзя знать все одновременно

Самым главным камнем преткновения на пути к полной остановке молекул становится принцип неопределенности Гейзенберга. Этот принцип утверждает, что невозможно одновременно точно знать положение и импульс частицы. Иными словами, чем точнее мы определяем положение молекулы, тем менее точно можем определить ее импульс (и, следовательно, скорость) и наоборот.

Почему так? Квантовая теория описывает частицы как волны. А волна по своей природе не имеет четко определенного местоположения. Попытка «зафиксировать» волну в определенной точке приводит к увеличению неопределенности в ее импульсе. По сути, чтобы точно узнать, где находится молекула, нам нужно «дать ей пинка», то есть придать ей импульс. Этот импульс заставляет ее двигаться.

Вечное движение: фундаментальное свойство материи

Получается, что даже в состоянии минимальной энергии, так называемом «основном состоянии», молекула не может находиться в абсолютном покое. Квантовая механика просто не позволяет молекуле одновременно иметь нулевой импульс и точно определенное положение. Всегда будет оставаться минимальный уровень движения, так называемая нулевая энергия.

Это означает, что вечное движение — это не просто следствие каких-то внешних факторов, а фундаментальное свойство материи. Молекулы всегда находятся в состоянии флуктуаций, колебаний вокруг состояния равновесия.

Охлаждение до предела: зачем это нужно?

Несмотря на невозможность полной остановки молекул, ученые активно работают над созданием сверхнизких температур. Зачем? Ответ кроется в квантовых технологиях.

Охлаждение молекул до экстремальных температур позволяет лучше контролировать их квантовые состояния. А это, в свою очередь, открывает возможности для создания более совершенных квантовых компьютеров. Чем меньше движения в молекулах, тем более стабильными и предсказуемыми становятся их квантовые состояния, что необходимо для выполнения сложных вычислений.

Удивительно, но на Земле уже удалось создать более холодные места, чем в глубоком космосе. Самая низкая зарегистрированная температура была достигнута немецкими учеными в 2021 году. Они охладили атомы рубидия до 38 триллионных долей Кельвина, имитируя невесомость.

Иллюстрация
Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Тепловая смерть Вселенной: двигаясь к покою?

На фоне этих достижений стоит вспомнить о более масштабных процессах, происходящих во Вселенной. Согласно теории Большого взрыва, Вселенная расширяется, и со временем это расширение приведет к тому, что она станет все холоднее и холоднее. Этот процесс называется тепловой смертью Вселенной.

В конечном итоге, энергия во Вселенной будет равномерно распределена, и движение частиц будет замедляться. Однако, даже тогда, в самой холодной и разреженной Вселенной, молекулы не перестанут двигаться полностью. Принцип неопределенности продолжит свою работу, гарантируя вечный танец молекул.

Получается, что наша жизнь, с ее бурлящей энергией и сложностью, — это лишь кратковременная флуктуация на фоне вечного стремления Вселенной к равновесию. Но даже в этом равновесии всегда будет место для минимального, но неукротимого движения. Потому что вечное движение — это не просто свойство материи, это ее суть.

1 комментарий

255478401355@odnoklassniki
Значит ноль Кельвина требует пересчёта. Он обещал, что всё должно остановится, а если это не так, значит требуется коррекция

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Чихуахуа оказались отчасти койотами — и это наконец объясняет их дерзкий и бесстрашный характер

Маленький размер, вес менее трех килограммов, дрожь в теле и привычка сидеть в дорожной сумке создали породе чихуахуа репутацию хрупкого декоративного аксессуара. Однако любой кинолог, ветеринар...

С какой скоростью на самом деле растут горы: древний супервулкан дал геологам точный ответ

Определение скорости роста горных хребтов — одна из самых сложных прикладных задач физической геологии. Земная кора непрерывно деформируется под действием тектонических сил, однако...

Как гиена разгрызает кости, которые не поддаются льву: в чём секрет её челюстей?

Когда лев завершает трапезу, на земле остаются фрагменты скелета, которые для большинства хищников представляют лишь несъедобный остаток. Бедренная кость антилопы гну или ребро зебры не поддаются...

Механическая клавиатура, которая отлично подружилась с MacBook Neo: обзор VAIVER Leaf V3

Механических клавиатур сейчас огромное количество, и на бумаге многие из них выглядят практически одинаково: переключатели, несколько вариантов подключения, подсветка, компактный корпус. Но когда...

Зачем раньше в деревнях на заборы вешали глиняные горшки и бутылки

В любом деревенском пейзаже раньше да и иногда и сегодня можно было увидеть стеклянные бутылки или банки, насаженные на колья изгороди, и глиняные крынки, висящие на плетне. Но для чего же...

Великая Каменная стена вдоль реки Лены: чем знамениты Ленские Столбы и почему их точно стоит увидеть

Пока туристы штурмуют Китай, желая полюбоваться Великой Китайской стеной, в глубине Якутии вдоль русла реки Лены стоит своя неприступная стена из каменных столбов. Кто их построил? Неведомые...