Всем хорошо известно, что для того чтобы повысить температуру, к телу достаточно подвести энергию, которая затем уже сама по себе переходит в энергию теплового движения частиц тела.
Каким же образом можно понизить температуру тела, как уменьшить энергию беспорядочного, хаотического движения его частиц? Это не просто. Законы, определяющие поведение частиц, из которых состоят тела, очень своеобразны. Так, с точки зрения закона сохранения энергии безразлично, распределены ли молекулы газа равномерно по всему объему, ему предоставленному, или находятся в одной его половине. Однако ни у кого не возникает сомнения в том, что в одной половине объема молекулы сами по себе никогда не соберутся. Точно так же, хотя с точки зрения закона сохранения энергии безразлично — находятся ли соприкасающиеся тела при различных температурах или при некоторой средней, мы все прекрасно знаем, что температуры соприкасающихся тел всегда со временем сравниваются.
Все эти примеры показывают, что, кроме закона сохранения энергии, в мире частиц господствует еще закон, определяющий направление основных процессов в природе, подавляющее большинство которых происходит так, что система переходит в состояние, позволяющее частицам разместиться наш большим числом различных способов в состояние, в котором частицы находятся как бы в наибольшем беспорядке, где упорядоченность движения, расположения частиц минимальна.
Стремление многих частиц к такому распределению является одним из основных законов природы. Поэтому для определения степени, порядка в физике введена особая величина — энтропия. В наиболее упорядоченном состоянии тела — при абсолютном нуле — беспорядок в расположении, движении частиц минимален. Энтропия в этом случае равна нулю. С повышением температуры увеличивается беспорядочное тепловое движение — энтропия возрастает. Изменение энтропии может происходить, конечно, и при постоянной температуре тела, например, при переходе вещества из жидкой в газообразную фазу, здесь она изменяется скачком.
Если газ при постоянной температуре расширяется в больший объем, упорядоченность в расположении его частиц уменьшается. Энтропия возрастает. Когда кинетическая энергия молота переходит в энергию беспорядочного движения частиц молота и наковальни, энтропия возрастает» Подобных примеров можно привести множество, подавляющее большинство процессов происходит с увеличением энтропии.
Естественно, что охлаждение тела, сопровождающееся уменьшением энтропии, само по себе произойти не может. Для получения низких температур приходится создавать особые машины, которые «отбирают» энергию от охлаждаемого тела и «перекачивают» тепло от низкой к более высокой температуре. В этих машинах используется возможность изменять внешним воздействием упорядоченность энтропии вещества. Например, как уже отмечалось, энтропия газа зависит не только от температуры, но и объема, им занимаемого. Чем больший объем предоставлен газу, тем больше и его энтропия. Это свойство газа используют для его охлаждения. Осуществляется это следующим образом. В первую очередь, сжимая газ, ограничивают беспорядочное, хаотическое движение его частиц. При этом, конечно, приходится совершать некоторую работу против давления газа. Энергия, которая при этом подводится к газу, идет, в частности, на увеличение беспорядочного, хаотического движения его частиц, повышает его температуру.
Осуществив, однако, теплообмен газа с окружающей средой, можно его вновь охладить до начальной температуры. Таким образом, посредством последовательного сжатия и теплообмена удается получить состояние, в котором частицы газа, обладая той же тепловой энергией, могут беспорядочно двигаться лишь в меньшем объеме, обладают меньшей энтропией. Уменьшение энтропии произошло в результате того, что внешним давлением мы как бы «сдерживаем» движение частиц. Если мы теперь начнем уменьшать это «сдерживающее» давление, газ начнет расширяться. При этом за счет избытка давления он даже может совершать работу, например, двигать поршень, вращать турбину. От сжатого газа можно получить некоторую энергию. Однако совершать работу, отдавать энергию, газ может только за счет изменения своей внутренней энергии, за счет уменьшения беспорядочного движения частиц, за счет охлаждения. Для того чтобы не произошло нагревания газа после охлаждения из-за теплообмена, газ при Расширении теплоизолируют от окружающей среды.
Как же изменялась энтропия в этом цикле? В полной энтропии газа удобно выделить две части: часть энтропии, которая изменяется с температурой, — «температурная часть» и часть, изменяющуюся с объемом, — «объемную часть». Эти две части взаимосвязаны между собой. В начале цикла, при сжатии газа, за счет уменьшения объемной части произошло возрастание температурной части — газ нагрелся. Затем при теплообмене температурная часть вновь уменьшилась до прежнего значения. Наконец, при расширении газа, производившемся при неизменной полной энтропии (адиабатически), за счет возрастания объемной части произошло уменьшение температурной части — охлаждение газа. Характер цикла, используемого для охлаждения газа, является общим для всех холодильных установок. Эти машины могут различаться как своим назначением, так и конструктивным оформлением, не принцип их работы одинаков. Во всех машинах — и в комнатных холодильниках, и в промышленных установках для производства тысяч литров жидкого воздуха или водорода — используется возможность изменять внешним воздействием упорядоченность, энтропию какого-нибудь вещества — «рабочего вещества», как обычно говорят. И во всех установках с этим рабочим веществом совершают цикл, подобный только что описанному.
Какие же предельно низкие температуры можно получить в холодильных установках, с чем этот предел связан? Оказывается, что в значительной мере этот предел определяется выбором рабочего вещества.
У каждого рабочего вещества есть предел температур, ниже которого оно становится непригодно. Связан этот предел с проявлением сил взаимодействия между частицами тела. Если в результате действия этих сил установился порядок в расположении, движении частиц, его в дальнейшем становится очень трудно изменить внешним воздействием. С веществом не удается провести основной цикл. Из-за этого, например, методом адиабатического расширения газа удается достичь лишь температуры его сжижения. Для воздуха это 80° К, для водорода 20,4° К и, наконец, для гелия 4,2° К. Правда, понижая давление над жидкостью, можно еще несколько приблизиться к абсолютному нулю, но таким способом существенного понижения температуры достигнуть не удается. Например, используя He4, можно опуститься лишь до 0,72° К. Это не удивительно, так как давление паров гелия составляет при этой температуре всего лишь 3∙10-2 мм рт. ст. Для дальнейшего продвижения к абсолютному нулю необходимы машины с иным рабочим веществом.
В первую очередь для этой цели могут быть использованы парамагнитные вещества, с которых и началось наше знакомство с низкими температурами. Энтропию магнитного вещества, так же как и газа, можно разбить на две части: связанную с тепловыми колебаниями решетки и с расположением элементарных магнитиков. Первая часть энтропии, изменяясь с температурой, резко уменьшается по мере ее понижения. Вторая, до тех пор пока не сказываются силы взаимодействия между магнитиками, остается постоянной. В результате этого при температуре в 1—2 градуса уже практически вся энтропия парамагнитной соли определяется расположением входящих в ее состав магнитиков. Но расположение магнитиков, как мы уже видели, может быть легко изменено магнитным полем. Поле в десятки килоэрстед практически нацело их ориентирует при температуре в 1°К, уменьшая магнитную энтропию до нуля. Установление магнитиков по направлению внешнего поля происходит в конечный для магнитиков ядер даже относительно большой промежуток времени. Это позволяет перевести систему магнитиков в совершенно необычное состояние. Представим себе, что после ориентации магнитиков направление поля мгновенно изменено на обратное. В этом случае в первое мгновение все магнитики будут повернуты в одном направлении, однако против направления поля. Энтропия не будет очень малой, в то время как магнитная энергия очень большой — большей, чем при хаотическом расположении. Затем постепенно магнитики будут поворачиваться по полю. Их магнитная энергия будет все время уменьшаться, а энтропия вначале возрастать до максимального значения (при хаотическом расположении) и лишь затем падать вновь к нулю. Таким образом, система магнитиков в поле может быть получена в состоянии, когда при минимальной энтропии энергия ее велика, когда увеличение энтропии сопровождается уменьшением энергии. Это особое состояние, характерное лишь для этой системы, часто называют областью «отрицательных температур». Вот этот эффект и используется в холодильных установках, работающих ниже 1° К.
Предельно низкие температуры, которые позволяет получать метод адиабатического размагничивания, так же как и в методе адиабатического расширения газа, определяются силами взаимодействия между частицами рабочего вещества, в данном случае — элементарными магнитиками. Как только температура тела будет настолько понижена, что под действием сил взаимодействия возникнет упорядочение расположения магнитиков, метод адиабатического размагничивания перестанет действовать. Однако у магнитных веществ эта предельная температура, как мы видели выше, может быть самой разнообразной, так как взаимодействие магнитиков зависит от расстояния между ними, от их величины. Поэтому обычно удается выбрать вещество с подходящей предельной температурой. Так, например, для работы в области температур до 0,03° К обычно используют хромокалиевые или железоаммониевые квасцы, у которых на один магнитный ион хрома или железа приходится 60 немагнитных атомов. Если же и этого оказывается недостаточно, то используют вещества с еще более слабым взаимодействием, еще более удаляя магнитики друг от друга. При этом выигрывая в предельной температуре, до которой может быть использовано рабочее вещество, мы проигрываем в его удельной холодопроизводительности. Используя такие «разведенные» парамагнитные соли, в настоящее время относительно просто удается достигнуть температуры, отстоящей от абсолютного нуля всего лишь на 0,001° К.
Другой путь в продвижении к абсолютному нулю лежит через использование ядерного магнетизма. В этом случае силы взаимодействия будут проявляться лишь при 10-5о К и до этих температур метод может быть с успехом применен. Однако здесь на пути исследователя возникают те же трудности, что и в прямом методе получения упорядоченного расположения ядер. Ведь в первую очередь для адиабатического размагничивания необходимо изменять внешним полем энтропию— упорядочить расположение моментов ядер. На этом пути уже достигнуты существенные успехи. Так, проведены первые опыты по ядерному размагничиванию системы ядерных моментов металлической меди. Бесспорно, что работы в этом направлении будут интенсивно продолжаться.