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1 # 鍾銘聊科學
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2 # 黑洞探秘者
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。因此宇宙中不存在低於絕對零度的物體。要解答這個問題,我們需要從絕對零度的定義和由來說起。
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,並配合大量的實驗資料得到的。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。透過大量實驗資料,可以得到其斜率(也就是膨脹係數),透過模擬,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。從另一個側面來分析,根據麥克斯韋-玻爾茲曼分佈的描述,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?鐳射冷卻法鐳射還可以進行冷卻?聽完大家可能會一臉疑惑。我們都知道,鐳射亮度高、能量大的特點,可以使物體在短時間內可以很高的能量,但是用鐳射冷卻是什麼原理呢?鐳射冷卻技術是透過運用鐳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,直到鐳射器的發明以後,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鐳射束中運動時,如果頻率略低於原子躍遷的能級差,由於多普勒效應,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。兩束鐳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。
隨著各種科學研究裝置的逐漸演進,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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3 # 熱休克蛋白
首先要知道絕對零度是怎麼來的。
熱力學有三大定律,熱力學第一定律是能量守恆,熱力學第二定律就是熱功轉換的不等價性,熱力學第三定律就是絕對零度不可能達到。
熱力學第三定律是依據熱力學第二定律提出來的。由於熱功的不等價性,使得出現了熵這個概念。在經典熱力學中,一切自然系統的熵都是向著熵增方向進行的,即自發反應的熵增原理。這是宏觀方向的,那麼微觀中是否會有熵增加原理呢。
如圖中所示,在微觀下,有四個分子,它們的排列方式有16種,均勻分佈有6種,均勻分佈的機率有6/16,是最大的。推加到一萬個分子亦是如此。所以微觀中總是向著分佈形式多的方向進行,此即微觀中的熵增加原理。
對此有一個波爾滋曼公式S=Πlnk,絕對零度時,k等於1,熵等於零,違反了熱力學第二定律,所以絕對零度不可能達到,更不可能超越。
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4 # 宇宙觀察
絕對零度在目前的理論中不可能出現也不可能實現的
我們都知道溫度是大量分子熱運動的產物,而太空中原子密度非常低,所以儘管宇宙中存在著數以千萬億計的恆星但宇宙空間的溫度還是接近絕對零度的,而地球則是因為有著濃厚的大氣層才得以擁有溫度的,海量大氣分子受到太Sunny照射產生熱運動來給人以溫暖或者炎熱的感受。
在說絕對零度之前我們首先要普及一個小知識,那就是溫度其實是存在上限和下限的,具體的上限就是“當所有分子以接近光速運動時產生溫度就是最高溫度”也叫普朗克溫度,確切數值是1.416833(85) × 10的32次方K,迄今為止只有宇宙大爆炸那一瞬間達到過這個溫度。
那麼既然溫度的上限是“所有分子接近光速運動”,那麼溫度的下限自然就是“所有分子停止運動”所謂的“絕對零度”其實就是指所有分子和原子都停止運動時的景象,而它的準確數值是-273.15攝氏度,乍看之下這個數字確實“很小”,但它是不可能出現在宇宙中的。
絕對零度之所以不可能出現的原因是因為“所有物體停止運動”不可能實現,在看似空蕩蕩的宇宙空間中時時刻刻都在發生著“量子漲落”,當這種漲落髮生在黑洞周圍時甚至能帶走黑洞的質量進而讓它“蒸發”
所謂的“絕對零度”只可能發生在所有物體都停止運動的時候,而量子力學已經證明了在微觀世界無時無刻不在發生著量子漲落,因此“絕對零度”只能是一個遙不可及的夢。
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實驗室目前還沒做出過絕對零度
關於這個問題,我們要先搞清楚一點,那就是無論如何都不可能達到絕對零度。這是瓦爾特·能斯特提出的熱力學第三定律,大意說的就是:
不可能透過有限過程使系統冷卻到絕對零度。(當然這裡我所說的是純粹的溫度)
並且在2017年3月14號,物理學家強納森·歐本海姆和路易斯·馬撒納斯透過數學證實了絕對零度是不可能達到的。
當然,科學家一般都是喜歡挑戰定律的,只有反常的事情才有可能得出新的理論。於是,許多科學家在實驗裡試圖做到絕對零度。比如:多國科學家一起合作的國際科研小組就在實驗室裡做到了僅比絕對零度高了0.5納(10^-9)開的溫度。
當然,大多數挑戰絕對零度的實驗無一例外,都只是無限接近了絕對零度,但其實都沒有做成。而更不要說低於絕對零度了,可能你要說了,這是不是人類的水平有限,說不定有什麼高階文明已經可以做到了。這種虛無縹緲沒有證據的事情也沒辦法探討。但是我們可以從理論上去了解為什麼達不到絕對零度。
溫度對我們來說,最大感受就是冷熱,不過這是宏觀的。對於熱到底是什麼,學者們也研究了很多很久,最早也的人認為這是一種物質,後來這種看法被實驗否定了。而且對於溫度更為本質的看法來自於熱力學,也可以叫做統計力學。這是一種微觀的視角,科學家認為冷熱其實是一種運動,是微觀粒子的平均動能的宏觀體現。
說白了,你給一個加熱,並不是傳遞給了它什麼具體的東西,而是讓它表面的粒子整體上看起來運動得更加劇烈而已,所以我們才會用粒子的平均動能來表述冷熱。
知道了這些,我們也就能明白絕對零度到底怎麼來的了,也就是說,讓這些粒子都別動時,也就是沒有平均動能或者說動能最低時,可能是溫度最低的狀態。
不過這裡要補充一點,由於量子力學中的不確定性原理的存在,粒子是不可能完全靜止的,如果真的達到了絕對零度,粒子應該停留在一定範圍內振動。
所以,總不至於讓粒子擁有負動能吧?畢竟也沒有這樣的概念和說法,因此,絕對零度其實已經是最低的溫度了。我們的宇宙中由於有宇宙微波背景輻射的存在,也就是宇宙大爆炸時留下來的餘熱,在宇宙中傳播,它自身溫度是3開,因此,宇宙並不是絕對零度的。
那為什麼達不到絕對零度呢?我們可以想象一下,如果給一個物體進行降溫。這其實和抽真空很像,常規的辦法就是用個溫度更低的東西來給這個物體進行降溫,我們也管這個叫做熱傳遞。如果從這個角度去思考,要讓一個物體降到絕對零度豈不是就要拿一個低於絕對零度的物體來降溫?可是,我們都做不到絕對零度,如何去拿一個低於絕對零度的物體來降溫?
所以,用這樣的辦法是無法實現。當然,上文我也說到了,科學家是不信邪的,它們打算在原子層面上操作,以此來讓每個原子近乎“靜止”在一定的範圍內,比如:鐳射冷卻或者蒸發冷去。不過,用這些辦法也沒有能夠成功。所以,在面對絕對零度這道坎,我們目前無法邁過去。而低於絕對零度則更是不可能的,因為根本不存在那樣的微觀狀態,所以也就不可能體現到宏觀世界當中。
當然,有的人可能會提到“負溫度”的概念,實際上目前已經證明在已知的系統中是不存在負溫度,“負溫度”的概念更多的是一種數學表述的手法,實際上即使存在這樣的系統,這個系統的溫度也絕對不是絕對零度,而是要高於絕對零度,這和“熵”以及“能量狀態”有關,由於目前還有爭議,就不過多討論。
因此,按照目前的理論來看,絕對零度是達不到的,更不要說低於絕對零度了。