Мы говорим: «на улице мороз — термометр показывает 30° ниже ноля» или «в комнате тепло — температура в ней 18° тепла».

Эти слова — «выше ноля» и «ниже ноля», или «градусы тепла» и «градусы холода» — далеко не всегда соответствуют нашим обычным представлениям о тепле и о холоде. Никто не станет утверждать, что температура в 1° тепла соответствует теплой комнате, и только тогда, когда термометр падает ниже ноля, в комнате становится действительно, холодно.

Точка «ноль» на нашем термометре выбрана довольно условно; она соответствует температуре, при которой замерзает вода. Всякому ясно, что когда термометр показывает ноль, это вовсе не означает, что тело вовсе не содержит тепла. В этом смысле температура ноль ничем не отличается от температур выше и ниже нуля.

Совершенно то же мы имеем, когда говорим о том, что номер журнала, который лежит перед вами, вышел в 1942 году. Мы не придаем числу 1942 такого же буквального смысла, как например, если бы мы говорили о том, что какая-то вещь стоит 1942 рубля. Оно отмечает лишь, что от некоего, весьма условно выбранного, момента прошло 1942 года. Историки привыкли говорить о годах до нашей эры и годах после нашей эры совершенно так же, как мы говорим о температурах выше и ниже нуля, и хотя совершенно ясно, что год начала нашей эры ничем не замечателен и с таким же успехом можно было бы отсчитывать годы от любого другого момента, тем не менее такой счет лет ни для кого не представляет неудобств, лишь бы только этот счет был принят всеми.

Но если бы вы, указывая возраст, отсчитывали свою жизнь не от дня рождения, а, скажем, от момента, когда вам минуло 7 лет, то такой метод определения возраста был бы неудобен, хотя ничего противоречивого в нем не было бы, ибо число, показывающее сколько времени прошло с этого момента, одновременно указывало бы и сколько лет тому назад вы родились (для этого надо просто прибавить к этому числу еще 7 лет). Обычно никто так не поступает, ибо возраст в 7 лет ничем не замечателен, и значительно логичнее отсчитывать возраст от того момента, когда человек начал свое существование.

Ноль температуры Цельсия — это такая же условная точка. Естественно возникает вопрос о том, нельзя ли и при измерении температуры найти такую температуру, которую было бы столь же логично выбрать за ноль, как в случае возраста момент рождения человека.

Для того, чтобы на этот вопрос ответить, надо знать, что такое температура, что происходит с телом, когда его нагревают.

Хорошо известно, что если бить молотком по куску металла, то этот кусок нагреется. Что же в нем происходит? Энергия ударяющего молотка передается атомам, из которых состоит металл, атомы начинают двигаться быстрее, скорость их движения возрастает.

Это мы и воспринимаем как повышение температуры. Чем выше температура какого-нибудь тела, тем интенсивнее двигаются его атомы. Наоборот, когда температура тела понижается, то это значит, что уменьшилась скорость движения его атомов.

Но если температура так связана с движением атомов, то вполне естественно считать, что тело имеет температуру ноль тогда, когда его атомы вовсе не двигаются. Это ведь означает, что тело вовсе не содержит тепла. Естественно эту температуру, при которой тело совсем не содержит тепла, принять равной нулю. Такой ноль называют «абсолютным нолем», а температуру, отсчитываемую от этого ноля, называют «абсолютной температурой».

Косвенными способами было установлено, что абсолютный ноль соответствует температуре в 273,2° ниже ноля по термометру Цельсия. Это значит, что для того, чтобы перевести градусы Цельсия в абсолютные, надо к ним прибавить 273,2°. Так, например, температура замерзания воды равна 273,2° абсолютных, а температура кипения 373,2°.

При измерении температуры в абсолютных градусах не существует температур ниже ноля. Говорить о температуре ниже абсолютного ноля, например о температуре в —275° по Цельсию, столь же бессмысленно, как спрашивать о том, что делал 25 лет тому назад человек, которому сейчас 20 лет.

Таким образом, абсолютный ноль есть самая низкая температура, которая только может существовать. Можно ли в действительности довести тело до температуры абсолютного ноля? Оказывается, что нет. Получить абсолютный ноль невозможно, можно только как угодно близко к нему подходить.

Представим себе, что нам надо выкачать воздух из какого-нибудь сосуда. Мы приключаем для этого наш сосуд к воздушному насосу. Сможем ли мы как-нибудь выкачать из этого сосуда весь воздух без остатка? Очевидно, нет. Сколько бы мы его ни выкачивали, всегда в сосуде останется некоторое, хотя бы и очень маленькое количество воздуха. Мы можем получать все большие и большие разрежения, но никогда не выкачаем весь воздух до последней молекулы.

Аналогично этому обстоит дело и с достижением абсолютного ноля. Мы можем все больше и больше понижать температуру тела, все больше и больше замедлять движение его атомов, но отнять у тела все тепло, полностью остановить его атомы мы не можем. У тела всегда останется некоторое, хотя бы очень небольшое, количество тепла, и его температура всегда, хотя бы не на много, будет отличаться от абсолютного ноля.

Каким же образом достигаются низкие температуры? Какие температуры умеют сейчас получать?

Самая низкая температура, какая встречается в природе, это 68° ниже ноля по Цельсию, или около 204° абсолютных. Такой мороз был отмечен на полюсе холода, в городе Верхоянске, находящемся в Сибири.

Физики умеют получать значительно более низкие температуры. Самая низкая температура, которая была получена в лаборатории (как она была получена — об этом речь ниже), отличается от абсолютного ноля всего на 44 десятитысячных доли градуса. Комнатная температура (около 300° абсолютных) превышает эту температуру более, чем в 60 тысяч раз.

Интересно отметить, что в сторону высоких температур достижения физиков более скромны. Самую высокую температуру удалось получить Андерсону, который пропускал ток очень большой силы через тоненькую проволочку. Проволочка, конечно, моментально сгорала, но при этом создавалась температура в 20000°. Однако эта колоссальная температура превышает комнатную «всего» в 70 раз.

Способов получения низких температур довольно много. Самым старым из них пользуются обычно при изготовлении мороженого. Известно, что при этом в лед для понижения его температуры прибавляют обыкновенную поваренную соль. Дело заключается здесь в том, что раствор соли в воде замерзает при температуре более низкой, чем температура замерзания чистой воды. Когда мы прибавляем ко льду соль, то образуется соляный раствор, который не замерзает, так как температура недостаточно низка для этого. При этом часть льда превращается в воду, которая и растворяет соль. Но для того, чтобы лед растаял, тратится тепло. Поэтому остающийся лед будет охлаждаться. Это охлаждение будет происходить до тех пор, пока температура не понизится настолько, что замерзнет сам соляной раствор. Охлаждение солью было в свое время единственным способом понижения температуры. Фаренгейт в 1714 году, выбирая для ноля своего термометра самую низкую температуру, вынужден был воспользоваться для этого смесью соли со льдом, имевшей температуру всего лишь—18° по Цельсию.

Кроме поваренной соли, иногда употребляют с той же целью и другие вещества, например, хлористый кальций. Однако с помощью этих веществ нельзя получить очень низких температур. Практически ими можно пользоваться только тогда, когда надо получать температуры до—50° по Цельсию.

Для того, чтобы получить более низкие температуры, надо пользоваться другими методами.

Хорошо известен тот факт, что кипящая вода на высоких горах менее горяча, чем кипяток внизу на земле. По мере понижения давления понижается и температура кипения воды. Этим можно воспользоваться для охлаждения. Если приключить к воздушному насосу колбу с водой и начать интенсивно выкачивать из этой колбы воздух, то можно понизить давление настолько, что температура кипения воды сделается ниже комнатной, и вода закипит. А так как для испарения воды необходимо затратить тепло, то остающаяся вода охладится. Температура будет понижаться до тех пор, пока она не сделается равной той, при которой вода кипит при этом давлении.

Когда давление в колбе сделается меньшим, чем 4,5 мм ртутного столба, т. е. будет в 17 раз ниже атмосферного, то охлаждение станет настолько сильным, что вода замерзнет. Мы будем свидетелями парадоксального явления — замерзания кипящей воды.

Таким способом пользуются в технике для получения сравнительно небольших охлаждений, с той только разницей, что вместо воды обычно употребляют газ аммиак, предварительно превращенный в жидкость.

Аммиак — хорошо известный газ, так как его раствор в воде есть нашатырный спирт. Он может быть легко ожижен простым сжатием. Для этого достаточно при комнатной температуре сжать его до 7 атмосфер.

Если теперь внезапно уменьшить давление и дать аммиаку свободно испаряться, то температура его сильно понизится. Таким способом можно получить холод до—50°.

Такой холод, между прочим, нашел интересное применение для консервирования овощей и фруктов. Хорошо известно, что для того, чтобы мясо или масло не испортились, их кладут на лед. Но если с той же целью отнести на ледник картошку, то результат будет весьма плачевен, — картошка погибнет. Однако совсем не обязательно, чтобы мороз оказался гибельным для картошки. Было выяснено, что дело совсем не в морозе самом по себе, а в том, что в обычных условиях замораживание происходит довольно медленно. При этом вода, которая всегда имеется в достаточном количестве внутри фруктов и овощей, замерзает в виде кристалликов, которые разрушают нежную ткань, и в результате при размораживании замороженные овощи быстро гниют.

Другое дело, если замораживание производится не медленно, а очень быстро, так, чтобы вода замерзла сразу вся. Замороженные таким образом фрукты полностью сохраняют свой вкус.

В одном из американских журналов несколько лет тому назад было даже описано, что замороженную в жидком воздухе обезьянку оказалось возможным оживить. При этом, как отмечает автор статьи, она даже получила удовольствие.

Для того, чтобы получить еще более низкие температуры, необходимо пользоваться более холодными жидкостями, чем жидкий аммиак. Такими жидкостями могли бы служить другие ожиженные газы. Но каким образом превратить их в жидкость? Первое, что пришло физикам в голову, это — попытаться превратить газы в жидкость с помощью сжатия. Это, как мы уже знаем, приводит к нужному результату в случае аммиака. Именно так в конце XVIII века он был впервые из газов превращен в жидкость.

Значительные успехи в области ожижения газов принадлежат великому английскому физику Фарадею. В 1823 г. он впервые получил жидкий хлор.

Фарадей, в отличие от своих предшественников, не просто сжимал газы. Одновременно со сжатием он опускал колбу, в которой находился сжатый газ, в какую-нибудь охлаждающую смесь, вроде уже упоминавшейся нами смеси льда с солью. Благодаря такой комбинации сжатия с охлаждением ему удалось значительно увеличить количество газов, превращенных в жидкости.

Так, кроме хлора, Фарадею удалось получить в жидком виде сероводород, углекислый газ, окись азота и другие газы. Однако превратить в жидкость все известные ему газы не удавалось.

Такие газы, как кислород, водород, азот, окись углерода (обыкновенный угарный газ) оставались газами, хотя их и подвергали давлениям до 3000 атмосфер. Казалось, что эти газы вообще невозможно получить в виде жидкостей, что они газы по самой своей природе и не могут существовать в другом состоянии.

Однако это впечатление было ошибочным. В 1869 г. английский физик Эндрьюс, производя опыты с углекислым газом, обнаружил, что хотя его довольно легко получить с помощью давления в жидком виде, однако, если повысить температуру выше 31,1° Цельсия, то превратить углекислый газ в жидкость становится невозможным; углекислый газ как будто бы превращается в постоянный газ.

Этим же свойством, оказалось, обладают и все остальные газы. Для каждого газа, считался ли он постоянным или нет, существует такая температура, выше которой он не существует ни при каком давлении в жидком состоянии. Эта температура была названа критической температурой.

Для того, чтобы превратить какой-нибудь газ в жидкость, необходимо сначала понизить его температуру так, чтобы она стала меньше критической.

Те газы, которые считались постоянными, просто имели очень низкую критическую температуру. Так, впоследствии выяснилось, что критическая температура кислорода 155,2°, азота 123,2°, а водорода даже 33,1° от абсолютного ноля. Такие температуры не могли быть получены никакими охладительными смесями, а потому эти газы и не удавалось ожижать.

Для того, чтобы все же получить их в жидком виде, надо было придумать какой-нибудь способ предварительно понизить их температуру и сделать ее меньшей, чем критическая.

Таким образом, впервые в 1877 г. Коллет и Пикте получили при температуре в —183° Цельсия (около 90° абс.) жидкий кислород. Они использовали тот факт, что если сжатому газу дать быстро расшириться, то его температура резко понижается.

На этом основан очень эффектный опыт. Углекислый газ, которым, например, газируют воду, обычно хранится в стальных баллонах, где он находится под большим давлением. Если открыть кран такого баллона и дать газу свободно выходить наружу, то из бьющей струи начнет выпадать снег. Это, конечно, не обычный снег, а не что иное, как твердая углекислота, которая образовалась потому, что при расширении углекислоты, выходящей из баллона, очень сильно понизилась температура. Твердую углекислоту обычно таким способом и получают. Она обычно называется «сухим льдом», так как испаряясь, она не оставляет после себя лужи, как это происходит с обычным льдом. Такое свойство сухого льда делает его очень удобным для сохранения продуктов на холоду.

Так же, как и углекислота, охлаждаются при расширении и другие газы. Таким способом были превращены в жидкости один за другим все постоянные газы. В 1895 г. немецкий инженер Линде построил машину, с помощью которой стало возможно получать жидкий воздух в очень больших количествах. С этих пор жидкий воздух перестал быть редкой жидкостью, драгоценные капли которой можно было получать лишь в немногих первоклассных лабораториях. Жидкий воздух сейчас можно увидеть на многих заводах, почти в любой мало-мальски устроенной лаборатории физической, химической, биологической и любой другой.

Интересно отметить, что самый дешевый жидкий воздух получается на машине, изобретенной акад. П. Л. Капицей. За это изобретение, сделанное им несколько лет назад, ему была присуждена в 1940 г. Сталинская премия.

Для неискушенного зрителя жидкий воздух представляет удивительную жидкость. Вылитая на пол или в обычный стакан, она начинает бурно кипеть, подобно воде на горячей плите. Стакан при этом покрывается толстым слоем льда. Если опустить в жидкий воздух резиновый мячик или трубку, то резина теряет свою упругость и при ударе об пол разбивается на мелкие куски. Ее можно растолочь в ступке и получить резиновый порошок. Так же разбивается замороженное яблоко.

С жидким воздухом можно производить множество эффектных опытов, но, конечно, жидкий воздух получают не для этих красивых, но бесполезных экспериментов. В жидком воздухе нуждаются сейчас многие отрасли промышленности.

Одним из самых интересных и в то же время одним из самых важных применений жидкого воздуха является получение из него кислорода. Пятая часть окружающей нас атмосферы есть кислород. В этом кислороде весьма сильно нуждается и медицина и техника. Летчик, отправляясь в высотный полет, берет с собой баллон с кислородом. Тяжело больному дают дышать из кислородной подушки. Кислород, употребляют при автогенной сварке. Уголь, смоченный жидким кислородом, представляет собой сильное взрывчатое вещество, которым начинают широко пользоваться в горном деле.

Но как получить кислород? Химическим путем— это безнадежно дорого. Проще всего было бы добывать его прямо из воздуха. Однако отделить кислород от азота, который составляет основную часть атмосферы, очень трудно. Здесь-то на помощь приходит тот факт, что испаряющийся жидкий воздух содержит больше азота, чем обычная атмосфера. Происходит это потому, что температура кипения жидкого кислорода (90,3° абс.) выше температуры, при которой кипит жидкий азот (77,5° абс.). Поэтому, если испарять жидкий воздух, то первым будет испаряться более летучий азот, а оставшийся жидкий воздух будет обогащаться кислородом. Если несколько раз испарять и опять ожижать одну и ту же порцию воздуха, то можно получить в остатке почти совсем чистый кислород. Этот способ аналогичен получению бензина из нефти путем ее перегонки.

Испарением при низких температурах получают из жидкого воздуха и другие газы, например, аргон и неон, которыми наполняют синие и красные трубки световых реклам.

Хотя жидкий воздух, имеющий температуру около 80° абс., и является для техников самой холодной жидкостью, с какой им приходится иметь дело, однако физики считают эту жидкость еще довольно теплой. Она ведь меньше, в 4 раза холоднее горячего чая, температура которого, примерно, 330° абс. Физиков интересуют значительно более низкие температуры.

Первый, кому удалось намного понизить температуру, был англичанин Дьюар, который в 1898 г. получил жидкий водород. Имя Дьюара сейчас получили изобретенные им сосуды для хранения ожиженных газов. Эти сосуды имеют двойные посеребренные стенки, между которыми выкачан воздух. В небольших таких сосудах Дьюара, или, как их просто называют, в дьюарах, жидкий воздух можно хранить по нескольку суток. Заставляя жидкий водород кипеть под пониженным давлением, удается получить температуры до 15° абс. Это уже температура в 20 с лишним раз меньшая, чем комнатная. Такую жидкость уже можно по праву считать довольно холодной.

Однако настоящий холод стало возможным получать только тогда, когда в 1908 г. голландскому физику Каммерлинг – Оннесу удалось превратить в жидкость последний из газов — гелий. Это была поистине самая холодная жидкость. Ее температура оказалась равной приблизительно 4,5° абс. Со времени получения жидкого гелия начала развиваться целая новая область физики — физика низких температур.

Подобно жидкому воздуху для техников, гелий представляет для физиков основной источник низких температур. С помощью кипящего жидкого гелия удается довести температуру до 0,7° абс. Это уже ниже комнатной температуры более, чем в 400 раз!

Даже сейчас изготовление жидкого гелия совсем не такая простая задача. Во всем мире до войны было 8 машин для получения жидкого гелия, только 8 лабораторий могли заниматься физикой низких температур. Две из них находятся в нашем Союзе: одна у акад. П. Л. Капицы в Институте физических проблем — самая мощная в мире, другая — в Украинском физико-техническом институте. Одна из установок находится в Лейдене в Голландии, в лаборатории, основанной еще Каммерлинг - Оннесом. Две установки находятся в Кембридже и Оксфорде в Англии, одна—в Берлине и одна—в Торонто в Канаде. В последнее время такая машина была построена в одном из университетов в США. Остальные страны вовсе не имеют гелиевых машин.

При температуре жидкого гелия физики натолкнулись на многие новые замечательные явления. В 1911 г. Каммерлинг - Оннес, измеряя электрическое сопротивление ртути, обнаружил, что как только температура понижалась до 4,1° абс., ртуть неожиданно полностью теряла электрическое сопротивление.

Если в кольцо, сделанное из замороженной ртути, каким-нибудь образом пустить ток, то шока ртутное кольцо будет лежать в гелии, ток не прекратится.

Когда это явление, получившее название сверхпроводимости, было открыто, оно казалось столь неправдоподобным, что многие физики не поверили открытию Каммерлинг - Оннеса. Для того, чтобы рассеять недоверие, в лаборатории Каммерлинг-Оннеса было изготовлено кольцо из свинца, который также становится сверхпроводящим при низких температурах. Это кольцо было погружено в сосуд с жидким гелием. Потом в этом кольце был создан электрический ток. В таком виде кольцо вместе с сосудом было отправлено в другой город, где находилась группа физиков, не веровавших в открытие Каммерлинг - Оннеса. Когда они вскрыли полученную посылку и обнаружили, что в кольце продолжал итти ток, то им пришлось оставить свое недоверие.

Изучение сверхпроводимости остается и по сие время одной из самых увлекательных проблем в современной физике.

Жидкий гелий не только дал возможность физикам начать изучение новой замечательной области, он неожиданно обнаружил очень странные и интересные свойства.

Эти свойства, получившие название сверхтекучести, были открыты у нас в Союзе физиком П. Л. Капицей.

Самая холодная жидкость однако не есть все же самое холодное из всего, что может существовать в приборе физика.

Как мы уже говорили, с помощью жидкого гелия физикам удалось получить температуры до 0,7° абс. Но это их не удовлетворило, и они пошли еще дальше. Оказалось, что некоторые вещества обладают любопытным свойством. Если их поместить между полюсами очень сильного магнита и потом резко выдернуть оттуда, то они очень сильно охлаждаются. Этот метод был впервые осуществлен в 1933 г. Димоном и Мак Дугалем, которые получили при этом температуру в 0,25° абс. Через 2 года Гаас и Вирсма установили до сих пор непревзойденный рекорд. Им удалось получить температуру, всего на 0,0044°, отличающуюся от абсолютного ноля.

Нет сомнения, что и этот предел окажется перейденным, и физики смогут еще ближе подойти к абсолютному нолю.