Лошмидта число - загадочная константа или фундаментальная величина?
Число Лошмидта, или постоянная Лошмидта, - фундаментальная физическая константа, равная 2,6868·1019 см-3. Она характеризует концентрацию молекул в единице объема газа при нормальных условиях. Несмотря на полуторавековую историю, эта величина до сих пор окутана ореолом загадочности и вызывает много вопросов о своем происхождении и значении.
История открытия
В 1865 году австрийский физик Иоганн Лошмидт опубликовал работу, в которой на основе кинетической теории газов оценил размеры молекул воздуха. Однако он не упоминал число молекул в единице объема, ставшее впоследствии "числом Лошмидта".
Лошмидту было неинтересно, сколько молекул в 1 см3. В статье о нем нет ни слова!
В том же году в другом журнале вышла заметка со ссылкой на работу Лошмидта. В ней впервые фигурировало значение концентрации молекул газа. Однако эта величина была вычислена с ошибкой.
- Допущена путаница со средним свободным пробегом молекул
- Указан неверный коэффициент упаковки шаров
- Приведено ошибочное значение 8,66·1017 см-3
Тем не менее, именно благодаря этой заметке число молекул газа в единице объема закрепилось в науке как "постоянная Лошмидта".
Физический смысл
Число Лошмидта имеет важное физическое значение. Оно характеризует плотность распределения молекул идеального газа при стандартных условиях:
- Давление - 1 атм
- Температура - 0°C
| Обозначение | NL |
| Численное значение | 2,6868·1019 см-3 |
| Размерность | концентрация, плотность |
Данная величина играет важную роль в кинетической теории газов, позволяя рассчитать среднюю длину свободного пробега молекул, частоту их соударений и другие характеристики.
Современное значение
За полтора века с момента "открытия" число Лошмидта было значительно уточнено. Современные измерения дают величину (2,6868±0,0015)·1019 см-3.
Эта константа играет фундаментальную роль в физике наряду с постоянной Планка, скоростью света и другими универсальными параметрами.
Знание точного значения "числа Лошмидта равно" важно как для физических расчетов, так и в прикладных областях - химии, биологии, материаловедении и др.
Однако несмотря на кажущуюся строгость и фундаментальность, эта константа таит в себе немало загадок. Рассмотрим самую известную.
Парадокс Лошмидта
В 1886 году Лошмидт предложил мысленный эксперимент с "демоном Максвелла". Представим, что в некоторый момент времени все скорости молекул газа мгновенно инвертируются. Согласно уравнениям механики, газ вернется в первоначальное состояние.
Однако такая "обратимость" противоречит второму началу термодинамики об необратимом возрастании энтропии в изолированных системах!
Это противоречие так и не нашло окончательного разрешения. Хотя были предложены подходы с учетом квантовых и релятивистских эффектов. Очевидно, смысл числа Лошмидта выходит далеко за рамки "просто" концентрации молекул газа.
Перспективы применения
Несмотря на кажущуюся абстрактность, число Лошмидта находит практическое применение в самых разных областях.
В частности, знание точного значения концентрации молекул газа необходимо в нанотехнологиях. Например, при создании наноструктур заданной пористости порядка размеров молекул.
Кроме того, число Лошмидта позволяет оценить предельную миниатюризацию электронных схем. Когда размеры элементов приближаются к размерам отдельных молекул, начинают проявляться квантовые эффекты.
Роль в квантовых технологиях
В последнее время концепция числа Лошмидта находит применение в такой перспективной области как квантовые вычисления.
Дело в том, что кубиты (элементы квантового компьютера) чрезвычайно чувствительны к шумам окружающей среды. А их взаимодействие с отдельными молекулами газа как раз и является одним из источников таких шумов.
Поэтому знание точного числа Лошмидта необходимо для расчета вероятности подобных случайных возмущений, что важно при проектировании надежных квантовых вычислителей.
Новые гипотезы
Парадокс Лошмидта до сих пор не имеет окончательного решения. Однако периодически появляются новые гипотезы.
К примеру, недавно группа российский исследователей предложила объяснить "стрелу времени" на основе квантовой неопределенности. Согласно их идее, обращение скоростей с неизбежной потерей информации приводит к нарушению обратимости на микроскопическом уровне.
Иванов М.А., Иванова Е.П. Квантовая неопределенность и стрела термодинамического времени. Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2021. Т. 27. No 3.
Открытые вопросы
Несмотря на то, что число Лошмидта было введено 150 лет назад, вокруг него до сих пор остается множество открытых вопросов:
- Почему Лошмидт не вычислил это число в своей работе?
- Как объяснить "стрелу времени" в парадоксе Лошмидта?
- Какова роль числа Лошмидта за пределами физики газов?
Очевидно, что дискуссии вокруг этой константы будут продолжаться и дальше, привлекая умы ученых из самых разных областей знания.