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絕對零度(absolute zero)是熱力學的最低溫度,但此為僅存於理論的下限值。其熱力學溫標寫成K,等於攝氏溫標零下273.15度(−273.15℃)。

1 絕對零度 -概述

絕對零度絕對零度的溫度圖線

物質的溫度取決於其內原子、分子等粒子的動能。根據麥克斯韋-玻爾茲曼分佈,粒子動能越高,物質溫度就越高。理論上,若粒子動能低到量子力學的最低點時,物質即達到絕對零度,不能再低。然而,絕對零度永遠無法達到,只可無限逼近。因為任何空間必然存有能量和熱量,也不斷進行相互轉換而不消失。所以絕對零度是不存在的,除非該空間自始即無任何能量熱量。

在此一空間,所有物質完全沒有粒子振動,其總體積並且為零。

有關物質接近絕對零度時的行為,可初步觀察熱德布洛伊波長(Thermal de Broglie wavelength)。   

其中 h 為普朗克常數、m 為粒子的質量、k 為玻爾茲曼常量、T 為絕對溫度。

可見熱德布洛伊波長與絕對溫度的平方根成反比,因此當溫度很低的時候,粒子物質波的波長很長,粒子與粒子之間的物質波有很大的重疊,因此量子力學的效應就會變得很明顯。著名的現象之一就是玻色-愛因斯坦凝聚,玻色-愛因斯坦凝聚在1995年首次被實驗證實,當時溫度降至只有 170×10^(-9)開爾文。

2 絕對零度 -研究簡史

絕對零度韓國絕對零度熱管散熱器

1848年,英國科學家威廉·湯姆遜·開爾文勛爵(1824-1907)建立了一種新的溫度標度,稱為絕對溫標,它的量度單位稱為開爾文(K)。

1890年德國物理學家馬克斯·普朗克引入的了普朗克常數表明這樣一個事實:粒子的速度的不確定性、位置的不確定性的乘積一定不能小於普朗克常數,這是我們生活著的宇宙所具有的一個基本物理定律(海森堡不確定關係)。

1995年,科羅拉多大學和美國國家標準研究所的兩位物理學家愛里克·科內爾和卡爾威曼成功地使一些銣原子達到了令人難以置信的溫度,即達到了絕對零度之上的十億分之二十度(2×10^-8 K)。

3 絕對零度 -逼近絕對零度

和外太空宇宙背景輻射的3K溫度做比較,實現玻色-愛因斯坦凝聚的溫度1.7×10-7K遠小於3K,可知在實驗上要實現玻色-愛因斯坦凝聚是非常困難的。要製造出如此極低的溫度環境,主要的技術是激光冷卻和蒸發冷卻。

(1)激光冷卻
(2)蒸發冷卻

4 絕對零度 -負溫度

絕對零度低溫下超導體產生的磁浮現象

在常用的攝式或華式溫標下,以負數形式表示的溫度只是單純的比此兩種表示方式下的0度更低的溫度。某些特定的系統(英語:Thermodynamic system)可以達到真正意義下的負溫度。也就是說,其熱力學定義下的溫度(以熱力學溫標表示)可以是一個負的值。一個具有負溫度的系統並不是說它比絕對零度更冷。洽洽相反,從感官上來講,具有負溫度的系統比任意一個具有正溫度的系統都更熱一些。也就是說,當分別具有正負溫度的兩個系統接觸時,熱量會由負溫度系統流向正溫度系統。

大多數常見的系統都無法達到負溫度,因為增加能量也會使得它們的熵增加的。但是,某些系統存在能量持有的上限,當能量達到這個上限時,它們的熵實際上會減少。因為溫度是由能量和熵之間的關係來定義的,所以即使能量在不停的增加,這個系統的溫度仍會變成負值。所以,當能量增加時,對於處於負溫度的系統,描述其狀態的玻爾茲曼因子會增大而不是減小。因此,沒有一個完備的系統——包括電磁系統——能夠達到負溫度,這是因為能量狀態不會達到最大,所以不會有負溫度出現。但是,對於准均衡系統(如因自旋而導致不均衡的電磁場)這一理論並不適用,所以准均衡系統是可能達到負溫度的。

5 絕對零度 -逼近技術

和外太空宇宙背景輻射的 3K 溫度做比較,實現玻色-愛因斯坦凝聚的溫度 170×10^(-9)K 遠小於 3K,可知在實驗上要實現玻色-愛因斯坦凝聚是非常困難的。要製造出如此極低的溫度環境,主要的技術是雷射冷卻和蒸發冷卻。 

6 絕對零度 -溫度紀錄

2003年09月12日,由德國、美國、奧地利等國科學家組成的一個國際科研小組,日前改寫了人類創造的最低溫度紀錄:他們在實驗室內達到了僅僅比絕對零度高0.5納開爾文的溫度,而此前的紀錄是比絕對零度高3納開。這是人類歷史上首次達到絕對零度以上1納開以內的極端低溫。 

7 絕對零度 -最新研究

2013年1月5日(北京時間)據《自然》雜誌網站報道,物理學家們近期真的製造出了一種原子氣體,其溫度低於絕對零度。他們所開創的這項技術將有望創造出具有「負溫度」的物質材料並發展出相應的新型量子態,甚至還將有可能解答有關我們這個宇宙的基本謎團。

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