Введение
Рекорд самой низкой температуры на Земле. Самая низкая естественная температура, когда-либо непосредственно зарегистрированная на уровне земли на Земле, была зафиксирована 21 июля 1983 года на советской станции Восток в Антарктиде по результатам наземных измерений. 10 августа 2010 года спутниковые наблюдения показали температуру поверхности в -93,2 °C вдоль хребта между Куполом Аргуса и Куполом Фудзи на высоте 3900 метров. Результат был представлен на 46-м ежегодном собрании Американского геофизического союза в Сан-Франциско в декабре 2013 года; это предварительное значение и может быть пересмотрено. Это значение не признано рекордно низкой температурой, поскольку оно было измерено дистанционным зондированием со спутника, а не наземными термометрами, в отличие от рекорда 1983 года. Объявленная температура соответствует температуре поверхности льда, в то время как показания станции "Восток" измеряли температуру воздуха над льдом, поэтому эти два показателя не поддаются прямому сравнению. Более поздние исследования показывают множество мест в высокогорной Антарктиде, где температура поверхности опускается примерно до -80 °C. Из-за очень сильного температурного градиента вблизи поверхности это указывает на минимальные температуры воздуха вблизи поверхности примерно -85 °C.
Историческая прогрессия
21 января 1838 года русский купец Неверов зафиксировал температуру в Якутске. 15 января 1885 года Г. Вильд сообщил об измерении температуры в Верхоянске. Следующие достоверные измерения были произведены в сезон 1957 года на станции Амундсена-Скотта на Южном полюсе в Антарктиде, показав результаты 11 мая и 17 сентября. Это остается рекордом для непосредственно измеренной температуры.
Ранние эксперименты
В 1904 году голландский ученый Хайке Камерлинг Оннес создал специальную лабораторию в Лейдене, Нидерланды, с целью получения жидкого гелия. В 1908 году ему удалось понизить температуру ниже -269 °C (-452,2 °F, 4 K), что на четыре градуса выше абсолютного нуля. Гелий сжижается только в этом исключительно холодном состоянии, температура кипения гелия составляет -268,94 °C (-452,092 °F). За это достижение Камерлинг Оннес был удостоен Нобелевской премии. Метод Оннеса заключался в понижении давления исследуемых газов, что вызывало их охлаждение за счет адиабатического расширения. Это вытекает из первого закона термодинамики:
где U = внутренняя энергия, Q = тепло, подведенное к системе, W = работа, совершаемая системой. Рассмотрим газ в сосуде с фиксированным объемом. Если давление в сосуде превышает атмосферное, то при открытии газ будет совершать работу над окружающей атмосферой, расширяясь. Поскольку это расширение происходит адиабатически и газ совершает работу,
то уменьшение внутренней энергии приводит к снижению температуры.
Современные эксперименты
В ноябре 2000 года в Лаборатории низких температур Технологического университета Хельсинки были зарегистрированы ядерные спиновые температуры ниже 100 пК. Однако это была температура конкретного типа движения – квантового свойства, называемого ядерным спином, а не общая средняя термодинамическая температура для всех возможных степеней свободы. При таких низких температурах понятие "температура" становится многоаспектным, поскольку нельзя предполагать, что молекулярное движение усредняется по всем степеням свободы. Соответствующее максимальное излучение приходится на радиоволны, а не на привычный инфракрасный диапазон, поэтому соседние атомы поглощают его очень неэффективно, что затрудняет достижение теплового равновесия. В 1999 году Лаборатория низких температур зафиксировала рекордно низкую температуру 100 пК, или 1,0 × 10−10 К. Современная установка для достижения низких температур состоит из двух ступеней. Первая использует гелиевый разбавительный холодильник для достижения температуры в милликельвинах, а вторая – адиабатическую ядерную демагнетизацию для достижения пикокельвинов. Чрезвычайно низкие температуры полезны для наблюдения квантово-механических фаз материи, таких как сверхтекучие жидкости и конденсаты Бозе-Эйнштейна, которые были бы нарушены тепловым движением.