為什麼絕對零度-273.15℃是溫度的下限,隨著認知的提升會更低嗎?

2021-01-11 薛丁格的科學

我們都知道,絕對零度是零下273.15攝氏度。但不知道有木有想過這個問題,為什麼絕對零度是這麼一個溫度?難道不可能出現比絕對零度更低的溫度了嗎?或者說,有沒有可能絕對零度隨著人類的認知水平的提升,也會發生變化?

溫度

要想搞清楚這個問題,我們就得先搞清楚「溫度到底是什麼?」。很早以前,關於溫度的問題,科學家提出了許多的假說,比如:燃素說,熱質說。

尤其是熱質說還一度是非常主流的科學理論,有一些熱力學定律就是基於熱質說提出來的。當然,後來熱質說也被否定了。

如今,對於「溫度」的定義其實要遠比我們想像中的複雜。不過,這並不妨礙我們理解溫度。我們可以從經典物理學的視角來理解這個問題。在經典物理學中,溫度的微觀解釋就是分子熱運動的劇烈程度。

那這句話是什麼意思呢?

我們都知道,萬物都是有粒子構成的。但是這些粒子實際上並不是整整齊齊地排著隊,而是雜亂無章的。我們可以來舉個例子,構成物質的原子,並不是像學生們在上間操時那樣拍好陣列的,而更像是在自由活動時間,或者下課時間在操場上亂跑的狀態。

這也就帶來了一個問題,我們該如何描述它,或者說它和宏觀世界有什麼聯繫?

科學家發現,當這些粒子整體的動能很大時,溫度就高;整體的動能很小時,溫度就低。於是,我們可以利用分子的平均動能來描述溫度。

分子的平均動能越大,溫度就越高,分子的平均動能越小,溫度就越低。

絕對零度

那知道溫度的本質,我們再來看看絕對零度到底是什麼?

其實這個問題也很容易,既然溫度和分子的平均動能有關。那就意味著,分子的平均動能為零時,就是最低溫度。實際上,關於絕對零度的定義也確實如此,唯一不同的是,絕對零度指的是在量子力學框架下的平均動能最低點。

但是這裡其實要多補充一點。很多人會覺得絕對零度對應的微觀世界就是粒子們都站那不動了。實際上,並不是如此,粒子還是要動的,只是在小範圍的振動。而且這個時候的粒子還符合量子力學的基本原理,也就是大名鼎鼎的不確定性原理。那什麼是不確定性原理呢?

上世紀20年代,物理學家海森堡就一直在思考量子力學的相關問題。後來,他摒棄了軌道,能級等概念,提出了不確定性原理。他發現,我們沒有辦法同時確定粒子的位置信息和動量信息,一旦有一項測得準了,另外一項就很難測準,因此,這個理論也被稱為測不準原理。

如果微觀粒子完全不動了,那就不符合量子力學的基本理論,這是因為處於這種狀態,我們就可以同時測準位置信息和動量信息了。

所以,絕對零度時,粒子並不非是完全不動的,而是在小範圍內振動。

絕對零度變化嗎?

實際上,在理論上,是允許低於絕對零度的,這裡說的理論上,僅僅指的是數學上的表述。但實際上是不可能發生的。而且根據熱力學定律,絕對零度是達不到的。其實這個問題也好理解,我們要給一個物體降溫,一般是拿一個更低溫度的東西來降溫。這和抽真空也很小,說白了就是拿一個更空的來抽。

那問題來了,如果要降到絕對零度,這意味著就得拿一個比絕對零度更低的溫度來降溫,可明明絕對零度已經是最低溫度了,上哪能找到更低的溫度來降溫?

所以,你發現,你沒辦法用這種手段來實現低於絕對零度。那真的就達不到絕對零度了嗎?

實際上,科學家是不信邪的,科學家並不會被一個熱力學定律給嚇唬到,畢竟定律就是用來打破的。他們其實做了很多嘗試,目前最主流的辦法是利用雷射,你可以把雷射想像成筷子,利用多束雷射,就可以是現在原子層面上,讓原子儘可能地靜止,就好像用筷子夾住了一樣。利用這個辦法,科學家做到了十分接近於絕對零度,但目前來看,還沒有到達零度。

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    簡單來說,通過理論和實驗,可以得到絕對零度約為零下273.15攝氏度。至於這個結果是怎麼得到的,先來簡單了解一下為什麼會有絕對零度的概念。粒子的熱運動會讓物體產生溫度,所以溫度在本質上其實是用於度量粒子的熱運動劇烈程度。
  • 絕對零度為零下273.15℃,如果這個溫度極限被打破會發生什麼?
    對於這個問題我們首先來強調一下主觀思想,絕對零度被認為是溫度的最低下限,這是在目前理論框架下得出的結論,並非是因為技術上達不到而實現不了,這完全是兩個概念。經常聽見有人說,未來某一天技術發達了實現了超光速,就可以進行星際旅行了,這是相同的概念。
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