绝对零度的介绍

绝对零度绝对零度（absolute zero）是热力学的最低温度，但只是理论上的下限值。热力学温标的单位是开尔文（K），绝对零度就是开尔文温度标（简称开氏温度标，记为K）定义的零点。0K约等于摄氏温标零下273.15摄氏度，也就是0开氏度，物体在此温度下没有热能。物质的温度取决于其内原子、分子等粒子的动能。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布，粒子动能越大，物质温度就越高。理论上，若粒子动能低到量子力学的最低点时，物质即达到绝对零度，不能再低。然而，绝对零度是不可能达到的最低温度，自然界的温度只能无限逼近。如果到达，那么一切事物都将达到运动的最低形式。因为任何空间必然存有能量和热量，也不断进行相互转换而不消失。所以绝对零度是不存在的，除非该空间自始即无任何能量热量。在绝对零度下，原子和分子拥有量子理论允许的最小能量。详细内容有关物质接近绝对零度时的行为，可初步观察热德布洛伊波长（Thermal de Broglie wavelength）。其中h为普朗克常数、m为粒子的质量、k为玻尔兹曼常量、T为绝对温度。可见热德布洛伊波长与绝对温度的平方根成反比，因此当温度很低的时候，粒子物质波的波长很长，粒子与粒子之间的物质波有很大的重叠，因此量子力学的效应就会变得很明显。著名的现象之一就是玻色-爱因斯坦凝聚，玻色-爱因斯坦凝聚在1995年首次被实验证实，当时温度仅有170*10（-9）开尔文。在中学阶段，对于热力学温标和摄氏温标间的换算，是取近似值T（K）=t（）+273。实际上，如以水的冰点为标准，绝对零度应比它低273.15所以精确的换算关系应该是T（K）=t（）+273.15。绝对零度是根据理想气体所遵循的规律（即理想气体状态方程，pV=mRT/M=mrT,r=R/M），用外推的方法得到的。用这样的方法，当温度降低到-273.15时，气体的体积将减小到零。如果从分子运动论的观点出发，理想气体分子的平均平动动能由温度T确定，那么也可以把绝对零度说成是“理想气体分子停止运动时的温度”。以上两种说法都只是一种理想的推理。事实上一切实际气体在温度接近-273.15时，将表现出明显的量子特性，这时气体早已变成液态或固态。总之，气体分子的运动已不再遵循经典物理的热力学统计规律。通过大量实验以及经过量子力学修正后的理论导出，在接近绝对零度的地方，分子的动能趋于一个固定值，这个极值被叫做零点能量。这说明绝对零度时，分子的能量并不为零，而是具有一个很小的数值。原因是，全部粒子都处于能量可能有的最低的状态，也就是全部粒子都处于基态。由于水的三相点温度是0.0076，因此绝对零度比水的三相点温度低27316。绝对零度表示那样一种温度，在此温度下，构成物质的所有分子和原子均停止运动。所谓运动，系指所有空间、机械、分子以及振动等运动。还包括某些形式的电子运动，然而它并不包括量子力学概念中的“零点运动”。除非瓦解运动粒子的集聚系统，否则就不能停止这种运动。从这一定义的性质来看，绝对零度是不可能在任何实验中达到的这些运动是肉眼看不见的，但是我们会看到，它们决定了物质的大部分与温度有关的性质。正如一条直线仅由两点连成的一样，一种温标是由两个固定的且可重复的温度来定义的。最初，在一标准大气压（760毫米水银柱，或760托）时，摄氏温标是定冰之熔点为0和水之沸点为100，绝对温标是定绝对零度为0K和冰之熔点为273K，这样，就等于有三个固定点而导致温度的不一致，因为科学家希望这两种温标的度数大小相等，所以，每当进行关于这三点的相互关系的准确实验时，总是将其中一点的数值改变达百分之一度。仅有一固定点获得国际承认，那就是水的“三相点”。1948年确定为273.16K，即绝对零度以上27316度。当蒸气压等于一大气压时，水的正常冰点略低，为27315K（=0=32F），水的正常沸点为373.15K（=100=212F）。这些以摄氏温标表示的固定点和其他一些次要的测温参考点（即所谓的国际实用温标）的实际值，以及在实验室中为准确地获得这些值的度量方法，均由国际权度委员会定期公布。科学家在对绝对零度的研究中，发现了一些奇妙的现象。如氦本是气体（氦是自然界中最难液化的物质），在-268.9时变成液体，当温度持续降低时，原本装在瓶子里的液体，却轻而易举地从只有0.01毫米的缝隙中，很容易地溢到瓶外去了，继而出现了喷泉现象，液体的粘滞性也消失了。物体的温度实际上就是原子在物体内部的运动。当我们感到一个物体比较热的时候，就意味着它的原子在快速运动：当我们感到一个物体比较冷的时候，则意味着其内部的原子运动速度较慢。我们的身体是通过热或冷来感觉这种运动的，而物理学家则是绝对温标或称开尔文温标来测量温度的。按照这种温标测量温度，绝对温度零度（0K）相当于摄氏零下273.15度（-273.15）被称为“绝对零度”，是自然界中可能的最低温度。在绝对零度下，原子的运动完全停止了，那么就意味着我们能够精确地测量出粒子的速度（0）。然而1890年德国物理学家马克斯普朗克引入的了普朗克常数表明这样一个事实：粒子的速度的不确定性、位置的不确定性的乘积一定不能小于普朗克常数，这是我们生活着的宇宙所具有的一个基本物理定律（海森堡不确定关系）。那么当粒子处于绝对零度之下，运动速度为零时，与这个定律相悖，因而我们可以在理论上得出结论，绝对零度是不可以达到的。自然界最冷的地方是在回力棒星云。那里的温度为零下272摄氏度，是目前所知自然界中最寒冷的地方，成为“宇宙冰盒子”。事实上，布莫让星云的温度仅比绝对零度（零下273.15）摄氏度高1度多。这个“热度”（因为实际上我们谈到的温度总是在绝对零度之上）是作为宇宙起源的大爆炸留存至今的热度，事实上，这是证明大爆炸理论最显著有效的证据之一。事实上，在这样的非常温度下，物质呈现的既不是液体状态，也不是固体状态，更不是气体状态，而是聚集成唯一的“超原子”，它表现为一个单一的实体。19世纪中期，开尔文男爵威廉汤姆森定义了绝对温度，在此规定下没有物质的温度能低于绝对零度。气体的绝对温度与它所包含粒子的平均能量有关，温度越高，平均能量越高，而绝对零度是气体的所有粒子能量都为零的状态，这是一种理想的理论状态。到了上世纪50年代，物理学家在研究中遇到了更多反常的物质系统，发现这一理论并不完全正确。在正常温度下，这种逆转是不稳定的，原子会 向内坍塌。他们也同时调整势阱激光场，增强能量将原子稳定在原位。现任美国麻省理工大学物理教授科特勒称此最新成果为一项“实验的绝技”。在实验室里，反常高能态在正常温度下很难产生，而在负绝对温度下却会变得稳定“就像你能把一个金字塔倒过来稳稳的放着，而不必担心它会倒。”克特勒指出，该技术使人们能详细研究这些反常高能态，“也可能成为创造新物质形式的一条途径。”真空能量在绝对零度下，任何能量都应消失。可就是在绝对零度下，依然有一种能量存在，这就是真空零点能。真空零点能，因在绝对零度下发现粒子的振动而得名。这是量子真空中所蕴藏着的巨大本底能量。海森堡不确定性原理指出：不可能同时以较高的精确度得知一个粒子的位置和动量。因此，当温度降到绝对零度时粒子必定仍然在振动；否则，如果粒子完全停下来，那它的动量和位置就可以同时精确的测知，而这是违反测不准原理的。这种粒子在绝对零度时的振动（零点振动）所具有的能量就是零点能。量子真空是没有任何实物粒子的物质状态，其场的总能量处于最低，这是一切物质运动及能量场的最初始状态，它的温度自然处于绝对零度。这样的状态具有无限变化的潜在能力。零点能就是由（量子真空中）虚粒子，不断产生的一对反粒子的出现和湮灭产生的。据推测，量子真空中，每立方厘米包含的能量密度有1013焦耳。从理论上看，真空能量以粒子的形态出现，并不断以微小的规模形成和消失。真空中充满着几乎各种波长的粒子，但卡西米尔认为，如果使两个不带电的金属薄盘紧紧靠在一起，较长的波长就会被排除出去。接着，金属盘外的其他波就会产生一种往往使它们相互聚拢的力，金属盘越靠近，两者之间的吸引力就越强。1996 年，物理学家首次对这种所谓的卡西米尔效应进行了测定。这是证明真空零点能存在的确凿证据。创造发现逼近技术温度纪录和外太空宇宙背景辐射的 3K 温度做比较，实现玻色-爱因斯坦凝聚的温度170*10（-9）K 远小于 3K，可知在实验上要实现玻色-爱因斯坦凝聚是非常困难的。要制造出如此极低的温度环境，主要的技术是镭射（激光）冷却和蒸发冷却。由德国、美国、奥地利等国科学家组成的一个国际科研小组在实验室内创造了仅仅比绝对零度高0.5纳开尔文的温度纪录，而此前的纪录是比绝对零度高3纳开。这是人类历史上首次达到绝对零度以上1纳开以内的极端低温。这个科研小组在美国科学杂志上发表论文介绍说，他们是在利用磁阱技术实现铯原子的玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）的实验过程中创造这一纪录的。参与研究的科学家大卫普里查德介绍说，将气体冷却到极端接近绝对零度的条件对于精确测量具有重要意义，他们的此次实验成果有助于制造更为精确的原子钟和更为精确地测定重力等。玻色-爱因斯坦凝聚态是物质的一种奇特的状态，处于这种状态的大量原子的行为像单个粒子一样。这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。要实现物质的该状态一方面需要达到极低的温度，另一方面还要求原子体系处于气态。华裔物理学家朱棣文曾因发明了激光冷却和磁阱技术制冷法而与另两位科学家分享了1997年的诺贝尔物理学奖。科学家说，他们希望利用新达到的最低温度发现一些物质的新现象，诸如在此低温下原子在同一物体表面的状态、在限定运动通道区域时的运动状态等。因发现了“碱金属原子稀薄气体的玻色-爱因斯坦凝聚”这一新的物质状态而获得了2001年诺贝尔物理学奖的德国科学家评价说，首次达到绝对零度以上1纳开以内的温度是人类历史上的一个里程碑。慕尼黑路德维格马克西米利安大学物理学家乌尔里奇施奈德解释说，从技术上讲，人们能从一条温度曲线上读出一系列温度数，但这些数字表示的只是它所含的粒子处于某个能量状态的概率。通常，大部分粒子的能态处于平均或接近平均水平，只有少数粒子在更高能态上下。理论上，如果这种位置倒转，使多数粒子处于高能态而少数粒子在低能态，温度曲线也会反过来，温度将从正到负，低于绝对零度。2001年诺贝尔物理学奖获得者沃尔夫冈克特勒也曾证明，在磁场系统中存在负绝对温度。施奈德和同事用钾原子超冷量子气体实现了这种负绝对零度。他们用激光和磁场将单个原子保持晶格排列。在正温度下，原子之间的斥力使晶格结构保持稳定。然后他们迅速改变磁场，使原子变成相互吸引而不是排斥。施奈德说：“这种突然的转换，使原子还来不及反应，就从它们最稳定的状态，也就是最低能态突然跳到可能达到的最高能态。就像你正在过山谷，突然发现已在山峰。”在正温度下，这种逆转是不稳定的，原子会向内坍塌。他们也同时调整势阱激光场，增强能量将原子稳定在原位。