解讀絕對零度,它到底是一個什麼概念?

2021-02-20 宇宙探索

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科學充滿了零。光的質量為零,中子電荷為零,一個數學點的長度是零。這些零可能是不熟悉的,但它們遵循一致的邏輯。一切都代表著某種東西的缺失:質量、電荷、距離。

然後是令人費解的絕對零度。

我們傾向於認為冷熱是相對的東西。例如,一杯茶比爐子上的火冷,但比冰塊熱。絕對零度代表可能最冷的溫度,它與這個模式相牴觸。更奇怪的是,絕對零度在非科學家使用的溫標上甚至都不是零:攝氏零下273.15度,或者華氏零下459.67度。

怎麼會有最低溫度呢?

解碼絕對零度的關鍵是理解溫度是什麼。它只是衡量一個物質中的原子或分子運動的速度,或者更精確地說,是這些粒子的平均動能。

把它想像成一場原子躲避球的遊戲。當球擊中你時,你會感覺到它的能量。數以萬億計的躲閃球擊中,在一個不可見的小尺度發生,是我們所感知的溫度。

快速運動的原子猛烈撞擊,我們覺得這是一種高溫。當一個熱的物體接觸到一個冷的物體時,更快、更熱的原子就會把它們的一些速度傳遞給更慢、更冷的原子。熱的物體冷卻,冷的物體會變暖。

現在絕對零度中的零度是有意義的:絕對零度是指物質中的粒子基本上靜止的溫度。沒有辦法減慢它們的速度,所以不會有更低的溫度。

一切都會在絕對零度停止嗎?不完全是。原子並不是完全靜止的;它們因量子物理相關的影響而擺動。當然,不管多冷,每個原子的活動都會繼續。電子繼續運動,質子和中子也是如此。

誰發現了絕對零度?

紀堯姆·阿蒙頓(Guillaume Amonton)是一位法國發明家,他在童年時失去聽力,從未上過大學。他在1702年提出了這一基本概念。他的實驗表明空氣壓力與溫度成正比,他推斷有一個最低溫度,在這個溫度下壓力將降到零。他甚至對那個溫度做了一個估算,零下240度,非常接近實際值。

1848年,蘇格蘭-愛爾蘭物理學家威廉·湯姆森(William Thomson),更廣為人知的開爾文勳爵,擴展了阿蒙頓的研究,發展了他所謂的適用於所有物質的「絕對」溫標。他把絕對零度設為0,去掉了那些笨重的負數。物理學家現在依靠開爾文(K)標度來測量溫度。

迴旋鏢星雲距離地球約5000光年,已知宇宙中最冷的地方之一

宇宙中最冷的地方在哪裡?

大爆炸留下的能量溫暖了整個宇宙,使它遠遠高於絕對零度。空間平均溫度為2.74開爾文,或零下454.7華氏度。令人驚訝的是,一些天體比空的空間更冷。一團不斷膨脹的氣體雲被稱為「迴旋鏢星雲」,它的行為就像一臺星際冰櫃。它的溫度約為1 K,是宇宙中最冷的自然發生地點。

但人類在地球上的製造的變冷程度遠低於此。2003年,麻省理工學院的研究人員使用雷射束減緩了鈉原子的速度,將其冷卻到絕對零度以上的十億分之一度。這仍然是世界紀錄。

地球以外最冷的地方也是人造的。去年夏天,太空人在國際空間站上啟動了一個名為「冷原子實驗室」的實驗。這個實驗室的溫度比空曠的空間低3000萬倍。美國宇航局噴氣推進實驗室的羅伯特湯普森(Robert Thompson),這項實驗的研究人員之一:「我一直在研究這個想法,已經有20多年了。見證並運作起來感覺令人難以置信。」

當物質變冷時會發生什麼?

超冷原子的行為方式既迷人又有潛在的用處。它們融合成一種奇異的物質狀態,稱為玻色-愛因斯坦凝聚體。湯普森說:「我們有人希望利用凝聚態來改善衛星導航等實際工作,而其他人則試圖測試物理學的基本理論,或者模擬早期宇宙的物理。」

接近絕對零度,也有可能以其他條件下不可能的方式操縱化學反應。

去年春天,哈佛大學的化學家用兩個緩慢移動的低溫原子直接組裝了一個分子,使其成為有史以來最小的化學實驗。在這種情況下,量子物理的微妙效應變得顯而易見。在這種超低溫的溫度下,我們實際上可以觀察到原子和分子的波動性質。

接下來,科學家希望探索尚未發現的化學規律,並設計新的分子。絕對零度實驗的其他可能應用包括精密傳感器和時鐘,甚至可能包括超級強大的量子計算機。

相關焦點

  • 絕對零度到底是什麼?所有的物質都會被它凍住嗎?
    民間流傳著一種說法,就是如果整個世界的溫度下降到絕對零度,那麼所有的東西都會被凍住。然而,有一種特殊的物質我們沒有考慮,那就是光線。如果光能夠被凍結,那麼它又是什麼形狀的呢?喜劇片《貓和老鼠》中有一集特別地有趣,講述的就是類似這種情況。湯姆在日常抓捕傑瑞的過程中,洗手盆的水龍頭不小心被打開了。
  • 宇宙中存在絕對零度嗎?絕對零度下時間是否停止?
    但我想告訴你的是,液氮的溫度並不是世界上最低的溫度,在宇宙中有一種溫度叫作絕對零度,絕對零度約等於零下273.15度,在絕對零度下物體內部的分子結構將處於完全靜止的狀態,物體的動能和勢能也都為零。但是,絕對零度只是理論上的,物體的溫度只能無限接近而無法達到絕對零度!
  • 絕對零度有多可怕?如果光線處於絕對零度,它會停止嗎?
    引言:每當我們觀看科幻電影的時候,編者總喜歡用量子力學,黑洞,超光速,絕對零度等專業的名詞來拼湊劇情。我們今天就來扒一扒絕對零度這個概念,在許多小說中,絕對零度能凍結所有的物質,真的是這樣嗎?連光線也逃不過嗎?
  • 「絕對零度」到底有多恐怖?最快的速度光,能被它凍住嗎?
    而在我們的生活中有個說法,說在我們地球上最冷的溫度就是絕對零度,雖然只是一個概念,但是卻引發了很多人的想像,甚至認為絕對零度的冰凍速度就跟光的速度是一樣的。絕對零度科學家們認為在零下273度左右,不過這個是絕對不存在的
  • 絕對零度是如何計算出來的?會有比絕對零度更低的溫度嗎?
    溫度是一個看似極為普遍的概念,但是其中隱藏的秘密卻很多。溫度的本質是一種分子運動劇烈程度的表現,物質表面分子越活躍,它的溫度就越高。我們將水結冰的溫度定為零度,但是其實在零度底下還有更低的溫度,其中就有一個絕對零度的概念。 絕對零度是什麼? 絕對零度是熱力學上的最低溫度,是一種理論上的最低的溫度。
  • -273.15℃的絕對零度,到底可怕在哪?時間與空間都被凍結
    那麼這個絕對零度究竟是個什麼概念呢?宇宙中為何不能出現比絕對零度還要低的溫度呢? 想要知道宇宙中有沒有比絕對零度還要低的溫度,我們首先需要知道絕對零度到底是怎麼來的。實際上,絕對零度是可以根據理想氣體的狀態方程pV=nRT,用外推的方法進行推理得到的。
  • 什麼是負溫度?難道比絕對零度還冷?
    本文來自:百度知道日報組成物質的分子不斷地做熱運動,在宏觀上就體現為溫度,它是物體分子運動平均動能的標誌。分子運動越劇烈,則物體的溫度就越高,反之亦然。因此,物體的溫度存在一個下限,那就是當分子運動完全停止之時,此時的溫度被稱為絕對零度(約為零下273.15攝氏度)。
  • 絕對零度真的無法超越嗎?關於絕對零度幾個有趣的事實!
    但是隨著量子力學及科技手段的不斷發展,對於絕對零度的概念我們也有了新的理解,其中四個有趣的實事跟大家交流如下:一、絕對零度是否能達到?根據絕對零度的定義,它是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度,這是僅存於理論的下限值,相當於攝氏溫標零下273.15度(即273.15℃)。然而,根據熱力學定律,絕對零度永遠無法達到,只可無限逼近。
  • 絕對零度有多可怕?瞬間湮滅一切物質,對人類有什麼作用?
    溫度到底是什麼概念?它最低能達到多少?最高有多少呢?知天下奇聞,看小奇科普檔案!今天小奇跟大家聊聊溫度。在地球上,最寒冷的地方是南極,冬天的溫度能低至零下90攝氏度,脫離地球,在可觀測的宇宙中,最冷的地方是「回力棒星雲」,溫度為零下272攝氏度,被稱為「宇宙冰盒子」。那有沒有比它溫度更低的呢?
  • 科學冷知識絕對零度
    絕對零度許多人一定聽說過這個詞,但它到底意味著什麼,絕對零度是指物體的溫度,來自內部粒子的微觀運動,如果一個物體內的所有微觀粒子都停止了運動,那麼這個物體就達到了理論上的最低溫度即絕對零度。絕對零度是熱力學的最低溫度,但只是理論上的下限值,熱力學溫標單位是K,其溫度約等於零下273.15℃也就是零開攝氏度,然而絕對零度是不可能達到的最低溫度,自然溫度只能無限的逼近,如果達到那麼一切事物都將達到運動的最低值形式。
  • 絕對零度有多可怕?假如人體碰到絕對零度,還能活下來嗎?
    絕對零度有多可怕?當人體接觸到絕對零度這樣的低溫後,活下來的可能性又有多大?對很多人而言,絕對零度這個名詞大家或許並不陌生,一些影視劇裡主人公的絕招或許就叫做絕對零度。那大家平常所理解的絕對零度,與物理學上所定義的絕對零度有什麼區別呢?絕對零度和零攝氏度有有何不同呢?絕對零度似乎象徵著冷的「極致」,但是冷的極致又是怎樣定義的呢?
  • 能達到絕對零度嗎?如果說比絕對零度還低,會是什麼情況?
    我們其實心裡都知道絕對零度只是人類的定義,根據熱力學,它被定義為最低的溫標極限,在那個狀態,熵達到了最小值,也就是體系的混亂程度達到了最小值,這個狀態是可以通過降溫的辦法不斷逼近,但無法達到絕對零度,因為它是個定義,我們定義它無法達到絕對零度,你說氣不氣?
  • 所謂絕對零度,就是絕對無法達到的溫度,因為它會讓時間失去意義
    什麼是寒冷?對於普通人而言,零度就是寒冷,因為這是標準大氣壓下冰水混合物的溫度,如果溫度再低一點,水就會完全結成堅硬的冰。 不過零度並不是世界上最低的溫度,世界上最低的溫度被稱為絕對零度,也就是零下273.15攝氏度。絕對零度的提出是理論推導和實驗證明的結果,而在宇宙之中並沒有達到絕對零度的物質存在。對於人類而言,南極的寒冷足以令人顫慄,但迄今為止在南極錄得的最低溫度也沒有超過零下90攝氏度,而這與絕對零度還差得十分遙遠。
  • 絕對零度到底有多不可思議?最快的速度光,能被絕對零度凍住嗎?
    文/行走天涯絕對零度到底有多不可思議?最快的速度光,能被絕對零度凍住嗎?地球一直是一顆被認為是搖籃星球的行星。這是因為地球上的氣溫非常的適合人類居住。哪怕地球上的低溫能夠達到零下272℃。可是只要人類能夠做好保暖裝備的話,同樣也是可以在這種極其寒冷的環境中行走的!
  • 探秘宇宙中最低的溫度——絕對零度
    絕對零度然後是「絕對零度」的令人費解的情況。我們傾向於將溫度視為相對的度量。例如,一杯茶比爐子上的火苗要冷,但比冰塊要熱。「絕對零度」表示宇宙中最低的溫度,這違背了「總會有溫度比這裡更低」的直覺。更奇怪的是,在非科學家使用的溫度計量範圍內,絕對零度甚至不為零。攝氏溫度為 -273.15 度,或華氏 -459.67 度。為什麼會有最低溫度?解碼絕對零度的關鍵是了解溫度到底是什麼。它只是衡量一種物質中原子或分子移動速度的指標,或者更確切地說,是這些物質粒子的平均動能。把它想像成原子躲避球的遊戲。當球擊中你時,你會感受到它的能量。
  • 時間和空間都失去意義,零下273.15℃的絕對零度到底有多可怕?
    可溫度到底是什麼呢?在沒有用熱動力學考慮之前,溫度就是一種看不見摸不著的存在。用熱動力學考慮的話,溫度的本質上就是由於分子做運動的程度。當分子做運動與距離的時候,溫度就越高,反之就越低。這樣就很容易推算出一個概念,就是絕對零度的概念,也就是溫度低到一定程度,分子都原地不動,再也不運動了,這就叫絕對0度。
  • 為什麼說-273.15℃是絕對零度?這個溫度有什麼神奇的?為什麼能被稱為絕對零度?
    在發現絕對零度之前,這一直是一個方便的溫標。在這之後,對科學家來說有了更方便的溫標,就是將絕對零度定義為0開氏度,並以升高1攝氏度的標準定義1開氏度的增量。那麼這個數字有什麼特別的呢?在新的溫標下,水在273.15開氏度時結冰。
  • 絕對零度是宇宙中的最低溫度嗎?在絕對溫度下會發生什麼?
    一,絕對零度的概念溫度是分子熱運動的劇烈程度,是分子平均平動動能的表現,分子的運動速度越小溫度越低。那麼分子運動靜止了是不是溫度就最低了?這個最低溫度是不是就是我們常說的絕對零度?世界上沒有絕對的東西,除了物質的運動。即使運動,它還有相對靜止的一面,絕對靜止是不存在的。當然這個絕對零度對應的是相對靜止,但實際上「絕對零度」下的分子連相對靜止也達不到。按統計力學,絕對零度下分子平動和分子繞質心的分子轉動的確停止運動了,但分子振動、電子運動和核運動存在最低量子態,這些運動是不能被溫度凍結的。
  • 絕對零度是最低溫度,如果能變成-274度會發生什麼?
    這種問題的實際有意並不大,與網絡上經常問的「如果超光速會發生什麼?」本質上是一樣的。現代科學已經表明,絕對零度只能無限接近,根本無法達到更不可能製造出低於絕對零度的環境了。
  • 絕對零度:百年追求永無止境
    在我們認識能力的不斷增長的某個節骨眼上,可能是在上學那會兒,我們還會碰到一個遠離日常經驗的溫度:絕對零度。  絕對零度是涼爽的極致,一個理想的、無法達到的、完美的凍結狀態。雖然如此,自從19世紀中葉這個概念首次出現以來,很多人終其一生都在追求向它再邁進一步。這個看上去似乎頗為堂吉訶德式(崇高,但徒勞)的目標,實際上卻意義非凡。