絕對零度是最低溫度,可能出現低於絕對零度的物體嗎?

2021-01-11 科學黑洞探索

絕對零度是熱力學上定義的最低溫度,也是宇宙中理論上的溫度下限,宇宙中不存在低於絕對零度的物體。

絕對零度的定義和由來

絕對零度是科學家根據蓋-呂薩克定律,並配合大量的實驗數據得到的。根據蓋-呂薩克定律,一定質量的氣體,當壓強不變時,其體積跟熱力學溫度成正比。通過大量實驗數據,可以得到其斜率(也就是膨脹係數),通過模擬,即可以確定當體積為0時的物體溫度。因為物質的體積不可能小於零,因此這個溫度就被定義為絕對零度。

蓋-呂薩克定律

從另一個側面來分析,根據麥克斯韋-玻爾茲曼分布的描述,任何物理系統的溫度都是粒子運動的結果,絕對靜止的物質是不存在的,因此絕對零度也是不存在的。

既然無法達到絕對零度,那有什麼方法來逼近這個溫度呢?

雷射冷卻法

雷射還可以進行冷卻?聽完大家可能會一臉疑惑。我們都知道,雷射亮度高、能量大的特點,可以使物體在短時間內可以很高的能量,但是用雷射冷卻是什麼原理呢?

雷射冷卻技術是通過運用雷射和原子之間的相同作用使原子減速運動,從而獲得超低溫原子的一種前沿技術。

早在20世紀的時候,人們就已經注意到光可以對原子產生輻射壓力,但是並沒有發展使用光壓來降低原子速度的技術,直到雷射器的發明以後,此項技術得以迅速發展。人們研究發現,當原子在相向傳播的一對雷射束中運動時,如果頻率略低於原子躍遷的能級差,由於都卜勒效應,原子會吸收與其運動方向相反的光子,但是吸收相同方向行進的光子機率比較小。兩束雷射會產生一個阻尼力,並且與光子運動方向想法,從而減緩原子的運動。

在此理論指導下,1985年科學界得到了極低溫度的鈉原子氣體(240 microKelvin)。之後各種方法不斷湧現,並獲得了2.4x10-4K的實驗室最低溫度,這已經非常接近絕對零度。

隨著各種科學研究設備的逐漸演進,未來可能還會出現更低的實驗室溫度,但永遠達不到這個溫度。

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