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絕對零度

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絕對零度(absolute zero)是熱力學的最低溫度,是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度。絕對零度是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℃)。

物質的溫度取決於其內原子分子等粒子的動能。根據馬克士威-波耳茲曼分佈,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,根據熱力學第二定律,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英語Thermal de Broglie wavelength。定義如下:

\lambda_{th} \equiv \frac{h}{\sqrt{2\pi mkT}}

其中h普朗克常數m為粒子的質量、k波茲曼常數T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1.7×10-7 K

逼近絕對零度的方法[編輯]

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,主要的技術是雷射冷卻蒸發冷卻

接近絕對零度時的熱力學[編輯]

負溫度[編輯]

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。[1]

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。[1]所以,當能量增加時,對於處於負溫度的系統,描述其狀態的波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。

2013年1月3日,有物理學家聲稱首次製造出了高等自由態的負溫度系統,該系統是由鉀原子組成的量子氣體。[2]

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 Chase, Scott. Below Absolute Zero -What Does Negative Temperature Mean?. The Physics and Relativity FAQ. [2010-07-02]. 
  2. ^ Quantum gas goes below absolute zero.