В течение первой половины XIX столетия постепенно утвердилось мнение, что газы состоят из отдельных частиц — так называемых молекул, находящихся в быстром и хаотичном движении. Следовательно, каждая из них обладает кинетической энергией (то есть энергией движения), а температура представляет собой меру кинетической энергии молекул вещества при данных условиях. Температура и кинетическая энергия движения молекул возрастают и уменьшаются одновременно. Два вещества имеют одну и ту же температуру, когда молекулы каждого из них движутся с одинаковой кинетической энергией. В сущности, именно это равенство кинетических энергий воспринимается человеческими органами чувств (и нашими бесчувственными термометрами), когда мы говорим, что оба вещества имеют одинаковую температуру.

Но отдельные молекулы в данном объеме газа при любой температуре отнюдь не обладают одинаковыми энергиями. Энергии отдельных частиц будут самыми различными, что вызывается случайными столкновениями, в результате которых одни молекулы временно оказываются обладателями большого запаса энергии, а другие — сравнительно малого. Однако при каждой температуре газ можно охарактеризовать определенной средней кинетической энергией.

В 1860 году шотландский математик Джеймс Клерк Максвелл вывел формулы, которые выражают распределение энергии по молекулам газа при любой температуре и позволяют подсчитывать среднюю кинетическую энергию.

Спустя некоторое время английский ученый Уильям Томсон (которому был только что пожалован титул лорда Кельвина) предложил строить температурную шкалу, исходя из кинетической энергии молекул. При 0 °C средняя кинетическая энергия молекул любого вещества имеет некоторую определенную величину. С понижением температуры на каждый градус Цельсия молекулы теряют ¹/₂₇₃ своей кинетической энергии. (Это напоминает закон Шарля, но уменьшение объема газа происходит не совсем равномерно, тогда как убывание энергии молекул, — а уменьшение объема является лишь неизбежным косвенным следствием этого — происходит совершенно равномерно.) Это означает, что при –273 °C, или, точнее, при –273,16 °C молекулы имеют нулевую кинетическую энергию. Вещество — любое вещество — больше охладить нельзя, так как отрицательная кинетическая энергия — вещь немыслимая.

Следовательно, температуру –273,16° можно считать «абсолютным нулем». Если построить новую шкалу, в которой за начало взять абсолютный нуль, а каждое деление взять равным обычному градусу Цельсия, то любое показание шкалы Цельсия можно пересчитать в соответствующий отсчет по новой шкале, просто прибавив к нему 273,16. (Новую шкалу называют абсолютной шкалой, или шкалой Кельвина, что более справедливо, раз уж решено называть шкалы по имени их изобретателей; градусы этой шкалы обозначаются либо буквой А, либо буквой К.) Таким образом, вода замерзает при температуре 273,16°К, а кипит при 373,16°К

Вообще

Вы можете спросить, кому нужна шкала Кельвина. Что меняется от простого прибавления 273,16 к каждому показанию шкалы Цельсия? Что это дает нам? А вот что.

Очень многие физические и химические свойства материи меняются в зависимости от температуры. Возьмем в качестве простого примера объем совершенного газа (с которым мы встречались, когда говорили о законе Шарля). Изменение температуры при неизменном давлении вызывает изменение его объема. И было бы очень удобно, если бы объем менялся строго пропорционально температуре, то есть удвоение одного отвечало бы удвоению другой.

Но если пользоваться шкалой Цельсия, то пропорциональности не получается. При увеличении температуры, скажем, с 20 до 40 °C объем совершенного газа не удваивается. Он просто увеличивается на ¹/₁₁ часть первоначального объема. Напротив, если температуру отсчитывать по Кельвину, то удвоение объема в самом деле соответствует удвоению температуры. При возрастании ее с 20 до 40°К, затем до 80°К, до 160°К и так далее объем газа каждый раз будет удваиваться.

Короче говоря, в шкале Кельвина более удобно описывать поведение всего, что есть во Вселенной (и ее самой) при изменениях температуры, чем в шкале Цельсия или любой другой.

Здесь же я хочу сказать о том, что, охлаждая любое вещество, физик отнимает у молекул какую-то кинетическую энергию. Все когда-либо изобретенные для этой цели устройства могут изъять лишь часть кинетической энергии, как бы мало ее ни было. При каждой попытке охладить вещество кинетической энергии остается в нем все меньше и меньше, но всю ее вещество никогда не сможет отдать охлаждающему устройству.

По этой причине ученые не достигли абсолютного нуля и не надеются сделать это, хотя они уже творят чудеса, достигая температур порядка 0,00001°К.

Во всяком случае, мы обнаружили здесь еще один предел, ответив на вопрос: «Как холодно самое холодное?»

Но предел холода — это скорее «глубина самого глубокого», а меня интересует «высота самого высокого», то есть вопрос, нет ли предела горячему и если есть, то где он.

Обратимся еще раз к кинетической энергии молекул. Элементарная физика учит, что кинетическая энергия Е движущейся частицы равна ¹/₂mv², где m — масса частицы, a v — ее скорость. Решив уравнение Е = ¹/₂mv² относительно v, мы получим

 (1)

Но количество кинетической энергии, как я уже упоминал, можно измерить температурой T. Поэтому в формуле (1) можно вместо Е поставить Т (я также изменю постоянную, чтобы получилось правильное число в тех единицах измерения, которыми нам предстоит пользоваться). Итак,

 (2)

Если в этой формуле температуру Т брать в градусах Кельвина, а массу частицы m — в атомных единицах масс, то средняя скорость частиц v получится в километрах в секунду.

Рассмотрим, например, некий объем газообразного гелия. Он состоит из отдельных атомов гелия, причем масса каждого из них равна 4 в атомных единицах. Пусть его температура равна температуре таяния льда (273°К). Тогда в формуле (2) на место Т станет число 273, а на место m — число 4. Подсчитав результат, мы узнаем, что средняя скорость атомов гелия при температуре таяния льда равна 1,31 км/сек.

Так же вычисляются скорости при других значениях Т и m. Скорость молекул кислорода (масса равна 32) при комнатной температуре (300°К) равна

, то есть 0,48 км/сек, скорость молекул двуокиси углерода (масса 44) при температуре кипения воды (373°К) равна 0,46 км/сек и так далее.

Формула (2) говорит нам, что при любой данной температуре чем легче частица, тем быстрее она движется. Она также показывает, что при абсолютном нуле (T = 0) скорость любого атома или молекулы, каковы бы ни были их массы, равна нулю. Это еще один путь убедиться в абсолютности абсолютного нуля. Абсолютный нуль — это точка абсолютного (почти абсолютного) покоя атомов и молекул.

Но если нулевая скорость молекул и атомов — нижний предел температуры, то нет ли у нее и верхнего предела? Разве скорость света, о чем мы уже говорили в начале статьи, не является верхним пределом скорости? Когда температура поднимается так высоко, что v в формуле (2) достигнет скорости света и уже не сможет подняться выше, разве мы не достигнем абсолютной вершины, где настолько горячо, что уж горячее быть не может? Давайте предположим, что так и есть, и посмотрим, что из этого получится.