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绝对零度

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绝对零度(英语:absolute zero)是热力学的最低温度,是粒子动能低到量子力学最低点时物质的温度。绝对零度是仅存于理论的下限值,其热力学温标写成K,等于摄氏温标零下273.15度(即−273.15℃)。

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,粒子动能越高,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,根据热力学定律,绝对零度永远无法达到,只可无限逼近。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。在此一空间,所有物质完全没有粒子振动,其总体积并且为零。

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英语Thermal de Broglie wavelength。定义如下:

其中普朗克常数为粒子的质量、玻尔兹曼常数绝对温度。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在1995年首次被实验证实的玻色-爱因斯坦凝聚,当时温度降至只有1.7×10-7 K

逼近绝对零度的方法[编辑]

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1.7×10-7K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,因为这代表着我们需要将温度降到宇宙背景辐射之下,而在整个可知宇宙环境中并不存在如此低温的环境。要制造出如此极低的温度环境,主要的技术是镭射冷却蒸发冷却[1]

负温度[编辑]

在常用的摄式或华式温标下,以负数形式表示的温度只是单纯的比此两种表示方式下的零数值温度更低的温度。然而某些热力学系统是可以达到真正意义上的负温度的,换句话说,这些系统在热力学定义下的温度(以热力学温标K表示)可以是一个的值。一个具有负温度的系统并不是说它比绝对零度更冷。恰恰相反,从感官上来讲,具有负温度的系统比任意一个具有正温度的系统都更热一些。当分别具有正负温度的两个系统接触时,热量会由负温度系统流向正温度系统。[2]

大多数常见的系统都无法达到负温度,因为增加能量也会使得它们的增加的。但是,某些系统能够持有的能量是有上限的,当能量达到这个上限时,它们的熵实际上会减少。因为温度是由能量和熵之间的关系来定义的,所以即使能量在不停的增加,这个系统的温度仍会变成负值。[2]所以,当能量增加时,对于处于负温度的系统,描述其状态的玻尔兹曼因子会增大而不是减小。因此,没有一个完备的系统——包括电磁系统——能够达到负温度,这是因为能量状态不会达到最大,所以不会有负温度出现。但是,对于准均衡系统(如因自旋而导致不均衡的电磁场)这一理论并不适用,所以准均衡系统是可能达到负温度的。

2013年1月3日,有物理学家声称首次制造出了高等自由态的负温度系统,该系统是由钾原子组成的量子气体。[3]

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ 绝对零度浅论. 
  2. ^ 2.0 2.1 Chase, Scott. Below Absolute Zero -What Does Negative Temperature Mean?. The Physics and Relativity FAQ. [2010-07-02]. (原始内容存档于2011-08-15). 
  3. ^ Quantum gas goes below absolute zero.