定义
绝对零度 = 0 K = 零下 273.15 摄氏度。
这是热力学温标的下限。
含义
温度衡量的是构成物质的粒子的平均动能。
在经典物理的图景中:温度越低,粒子运动越慢;到绝对零度时,粒子"完全静止"。
为什么达不到
热力学第三定律:不可能通过有限步骤把一个系统冷却到绝对零度。
可以这样理解:
降温的本质是把系统的热量(熵)转移出去。随着温度趋近绝对零度,系统的熵也趋近于零——而要让熵减少一点点,所需的步骤和代价会越来越大。
每降低一点温度,都要把热量从更冷的物体转移到更热的物体,这需要做功,而效率随温差缩小而下降。
结论:可以无限逼近,但无法到达。
量子力学的修正
即使在绝对零度,粒子也不会完全静止。
量子力学的不确定性原理:粒子的位置和动量不能同时被精确确定。如果粒子完全静止(动量为零),位置就完全不确定——这在束缚态中是不可能的。
因此存在零点能(Zero-point Energy)——即使在基态,系统仍有非零的最低能量。
液氦就是一个典型例子:即便降到绝对零度,在常压下它也不会凝固——正是因为零点振动太强,无法形成有序的晶格(需要加压才能固化)。
现在能达到多低
人类已经能把物质冷却到纳开尔文(10⁻⁹ K)甚至皮开尔文(10⁻¹² K)量级。
主要技术:
一、激光冷却
用激光"减速"原子。原理是多普勒效应:让原子迎着激光运动,吸收与之共振的光子,获得反向动量,从而减速。
再配合磁光阱,可以把原子云冷却到微开尔文量级。
这项技术获得了 1997 年诺贝尔物理学奖。
二、蒸发冷却
类似吹气让热汤变凉:把"最热"的原子从阱中移除,剩下的原子重新达到热平衡,温度下降。
三、绝热去磁
利用磁性材料在磁场变化时的熵变来降温,可以达到毫开尔文以下。
低温下的奇妙现象
超流:液氦在 2.17K 以下失去黏性,可以无摩擦地流动,甚至能沿容器壁"爬"出来。
超导:前文提到过,许多金属在极低温度下电阻完全消失。
玻色—爱因斯坦凝聚(BEC):在极低温下,大量玻色子聚集到同一个量子基态,表现出宏观的量子效应。1995 年首次在实验中实现,获 2001 年诺贝尔物理学奖。
一个实用意义
低温技术是很多前沿研究的基础:超导量子计算机(前文提到)、精密测量、空间探测器的红外探测器(需要极低噪声)。
说明:本文为低温物理的知识整理。