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绝对零度为什么不可能发生

admin2022-12-11 05:40 479人已围观

简介绝对零度为什么不可能发生

原文标题：《0K，不 OK》

我们的宇宙中充斥着各种不能打破的基本界限。比如像其中最有名的一条：有质量的物质的速度不能超过光速，差不多是 3×10⁸ 米 / 秒。当然还不止这些，普朗克长度是最小可能的长度，数值是 1.616 x10^-35 米，普朗克时间是最小可能的时间：10^-44 秒；而可以存在的最冷的温度是绝对零“度”（开尔文，温度的单位），也就是 -273.15℃（摄氏度）、或是 -459.67℉（华氏度）。-273℃ 比起前面那些数字来说看起来不算很小，难道偌大的宇宙中就不存在某个小角落的地方低于这个温度了吗？

在可知宇宙中，最低的温度就存在于这个地球上的某个实验室中；而且就像其他基本界限一样，达到 0K 的温度，在理论上 —— 而不是技术上，不可能发生。目前，我们可以不断降低所能达到的最低温度、到十亿分之一开尔文甚至更小，但却永远不能达到 0K。

解释原因前，我们先说说什么是温度。

冷或热

当我们通过触摸感觉到冷或者热的时候，微观层面发生了什么呢？

所有的分子、原子、质子或者电子都有一个本征振动，这个本征振动也叫作动能，可以辐射热。粒子运动得越快，物质也就越温暖。当你滴一滴墨水在一壶水中，墨水均匀地扩散开来，你便会发现这壶水也承载着如此多分子的运动。振动得快的粒子相比振动较慢的粒子来说，在你的皮肤上会撞击得更厉害。理论上，绝对零度是一个所有运动、也就是所有热，全部都不存在的状态。

但是量子力学否定了这种情况存在的可能。

除了温度外，粒子的动能还决定了物质的性质。相比于液体来说，固体中的粒子振动更轻微，但它们仍然是振动的状态 —— 即使是在冰凉的铁块中，单个的铁原子也是在它的固定结构内振动的。

绝对零度为什么不可能发生

加热冰块时，水中的分子会获得能量，并从晶体结构中脱离出来（成为液体）；继续加热液体水时，水分子可以获得更多的动能逃逸出来成为蒸汽（气体）；当电子脱离原子，物质便会离化成等离子体，这种状态可以在宇宙星体中发现。

此外，物质还有第五种状态 —— 玻色-爱因斯坦凝聚态，由一团降温到非常接近零度而几乎不运动的原子组成；这时，这些原子达到了相同的能量状态从而表现得像一个原子。当所有原子到同一个量子态时，相互之间不可分辨，它们便会遵循玻色-爱因斯坦统计规律，适用于包括光子在内的不可分辨的粒子。在这种状态下，我们会观测到超流、超导、无电阻这类令人惊奇的现象。

关于玻色-爱因斯坦凝聚态有两个特点：

1.这是一个目前只存在于实验室中物质的状态。

2.获得这种状态的物质花费了科学家数十年的时间，同时也让三位物理学家获得了 2001 年的诺贝尔奖。反直觉的是，物理学家是通过多个方向的激光来捕获一团原子、使其冷却下来的。

超导

将原子冷却至一个临界值以下时会发生一个现象 —— 超导。比如当温度低于 -196℃ 时，某些金属的电阻会降低为零：电子会在介质中流动形成在一个循环中没有衰减的电流。

通常情况下，电子形成电流后往往受到阻碍。导电介质的内部原子排列成晶格，会进行无规则的热运动；晶格中的原子释放电子给电流后带正电，吸引电子从旁边翻滚而过。就像平面上摩擦力对滑块的作用一样，这样的阻碍（表现为电阻）会损失电流的能量，当温度降低时，导体的电阻会明显降低。

但是当超导发生时，现象会完全不同：当某材料达到一定的冷度时，它的电阻会立即完全消失。电流中的电子为了立刻冲到终点，它们会结合成对 —— 当一个电子从晶格中流过时，会引起周围带正电的原子向其弯曲，反过来将吸引邻近的电子与之结合，两个电子紧锁在一起后，便在晶格中肆意穿梭，不会损失能量。这样的电子对只能在超导临界温度以下的时候形成，一旦超过这个温度，热量就足以将它们分开。

普通的超导体只能工作在极低的温度下，需要非常昂贵的液氦来实现。超导一般会在非常复杂和昂贵的设备上应用，比如像医用核磁共振成像（MRI）中。但什么时候、是否能走进我们的日常生活却很难说。埃隆・马斯克的超级运输装置 hyperloop 中就将会应用到两块超导磁铁。

1980 年代，科学家发现某些特殊的陶瓷会在很高的温度就可以转变成超导状态，只需要再前进小小的一步，这个技术就可以变得非常有用。新的超导体的工作温度可以高达 -135℃ ，虽然还是很低，但是可以利用更便宜、易获得的液氮实现。当然，室温下超导仍是科学家追求的终极目标。

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但即使是在超导或是玻色-爱因斯坦凝聚态下，原子依然在缓慢运动。理论上，如果我们继续给物质降温，会存在一个原子不再振动的点，这个点的温度值不同于熔点或是沸点，它对于所有的材料是一致的，那就是 0K 。也就是说，对于宇宙中所有的元素，化合物、或是分子，给它们建立一个温度-振动相关的表格，对应于 100%、75%、50%、25% 等等只要是 0 以上的振动，不同材料的温度都是不同的；但是 0 振动对于所有物质都是一样的，它们有共同的定义 —— 0 开尔文，我们不可能达到的状态。

实际上，这种极限状态（玻色爱因斯坦凝聚态）的振动还会辐射出红外波。红外波来源于热辐射，所以所有温度不为零的物体都会辐射出红外波，包括我们觉得已经很冷的冰块，也会产生红外辐射；温度没有高到产生可见光程度的物体，都在进行着红外辐射。物体温度越高，辐射的红外波越多 —— 这就是夜视仪的原理，因为红外辐射是我们的“本征光”—— 除非它的温度是 0K。

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红外热成像：不同的颜色对应不同温度

宇宙中的所有物质都在辐射着能量，或多、或少，但一定会存在，这源于所有基本粒子的振动。高温即高振动频率，低温即低振动频率，阻止这样的振动是不可能的。

在我们了解为什么不能使粒子停止振动前，我们需要区分温度和热能之间的一个重要的区别。

你有没有疑惑过，为什么把手放入 200℃的炉子里的伤害相比于放入 100℃沸水中的温度要小？这是因为即使炉子里的温度很高，但热能却比沸水的要低。物体的热能除了与温度有关外，还与包含的粒子数量和密度有关，炉子中单个粒子相比于沸水中具有更高的能量，但每秒撞击你皮肤的水分子数量却远大于炉子中的粒子，也就携带了更高的能量。温度表现的是分子的平均动能，而热能反应了物质所有粒子动能的总和，所以一座冰山比一杯咖啡具有的热能更高。

绝对零度为什么不可能发生

炉子中的空气虽然比锅中的沸水温度更高，但是水的能量密度更大，携带的热量更多

达到绝对零度

我们现在知道了，热不过是一些原子和分子本征振动的结果，这意味着其实“冷”不算是一个物质的性质，只是反映了物质的热比较少而已。

我们可以通过对一个封闭的系统（体积和压强不变）增加能量来使其温度升高，只要我们有充足的能量就可以一直如此。理论上温度不存在上限。反过来，当我们需要给一个系统降温时，我们就需要从中“拿走”能量，直到某点系统没有剩余能量。这一点就是绝对零度点。

热力学第三定律

如何取走物体的热量呢？最简单的方式是在旁边放一个更冷的物体。热力学第三定律说明，热量总是从温度更高的物体流向温度更低的物体。举个例子，厨房的台面上放置着相对更热的平底锅，那么平底锅就会加热台面，而不是台面加热平底锅。热量从不会流向更热的物体 —— 除非我们使用能量来完成这一过程。这就是冰箱的功能。冰箱内的空气要比食物更冷来从中获得能量，当运动得较快的食物粒子撞击空气中较慢的粒子时，它们之间交换了一些动量和能量，食物粒子的运动会减慢变凉而空气粒子会运动更快而变热，空气的热会在冰箱背面释放，这也是为什么冰箱背面通常是烫的，这些热量部分来源于你的食物。

但当我们想用这个方式把物体的温度降至最低时，问题就出现了，如果没有更冷的东西了怎么办呢？宇宙中不存在没有运动和热能的地方，因为它总会从别处吸收热量。如果某纯净物质的每一个原子都完全保持在它所在的晶体结构上，那么它可以达到理论上的绝对零度，此时其熵为零。

熵的定义之一，是将其描述为物质中互相拥挤的原子和分子可能排布的数量，或是说混乱程度（randomness）。由于物质这样随机和不可预测的内在性质，能量的转化并不是完全有效的，熵决定了一部分能量不能“有用”。不过在绝对冷时，分子会停止随机振动，能量的流向会消失，也就不会有相应激发的分子。热力学第三定律的关键在于，当一个完美、纯净的晶体的温度降低为零时，其熵也就随之为零。一个几近稳定、惰性的物质的混乱度也会消退。

但量子力学不允许混乱度或是熵为零 —— 但可以极其接近零，比如超导状态下的原子的熵。

除了热量传递这种方式，温度也可以通过压强和压强控制：提高压强和降低体积都可以使温度升高。我们先假设已经有降温至 1K 的氦气了。除了寻找温度更低的介质来抽走能量，我们还可以通过使其膨胀来降温。这个过程正发生在可知宇宙中最冷的地方 —— 旋镖星云（Boomerang Nebula），这个星云的温度是 1K 。星云中的气体通过极快的速度解释了为何其变得如此之冷。

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