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1 # 晴月浩新雪
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2 # 周慶和
是的,我認為絕對零度會失去一切粒子的波動性質。但能量子如果遇到外界的波動干擾,則同樣會產生波動,而且,推動能量子運動也不需要消耗能量。
質量粒子本身是不會波動的,能量粒子波動本身的波動性質都是存在熱效能量的表現,如果達到了絕對零度,也就是不存在熱效能量的表現,所以,在絕對零度的環境中任何能量子本身都不會表現波動性質,也就是粒子本身不會再釋放任何頻率的電磁波。
但在沒有熱效能量的環境中,如果有其它作用力的干擾,比如電磁力的干擾,還會造成能量子的整體性運動,而且,這種運動還不需要消耗能量。
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3 # 科學聯盟
首先要搞清楚一個概念,溫度。溫度到底是怎麼定義的。這問題其實一直到20世紀30年代末才塵埃落定,比熱力學第一定律和第二定律晚了80年。這條定律給出了溫度的定義。也只有搞懂這條定律,才真正理解什麼是溫度。這條定律是這麼敘述的:
三個熱力學系統(這裡強調熱力學體系,如果不是熱力學體系,請不要說什麼溫度),兩個體系達到熱平衡,則三個系統都是熱平衡。
這條定律還有一個表述:
處於熱力學平衡狀態的所有物質均具有某一共同的宏觀物理性質
這條表述中的“共同宏觀性質”(強調,宏觀性質,不是微觀)指的就是溫度函式,它是一個狀態函式。所以,溫度是一個宏觀量。這條定律很樸實,許多人忽略了它。其實,這是大錯特錯的。
那現在問,單個粒子能不能定義溫度?按照熱力學第零定律,沒法定義。首先,單粒子不是熱力學體系;其次,就算是熱力學體系,又如何定義熱平衡?熱平衡的要求,註定體系是多體,而非單體。接著問,少量粒子體系能不能定義溫度?很可惜,目前的熱力學只能處理粒子數趨於無窮大的情況。因為熱力學研究的物件是熱力學系統,熱力學系統是由大量粒子組成的體系。大量粒子指的就是數目足夠多,多到多少,多到阿伏伽德羅常數這個數量級就差不多了。所以,只要談及溫度,就必須是在熱力學體系下。就算是討論微觀粒子,也必須要滿足數目足夠多。這些條件缺少一個,就沒有溫度這個概念。
現在問,絕對溫度呢?溫度是一個狀態函式,但是溫度不是無下限,這個下限叫絕對零度。能斯特曾經證明了一條定理:對於凝聚狀態體系(指的是沒有氣相,或者氣相可忽略,一般是固液平衡系統),其等溫過程的熵變函式是其溫度的函式,且溫度趨於絕對零度,熵變趨於0。這條定理其實預示熱力學體系是不能透過有限步冷卻到絕對零度。因此,我要說,問主的問題有本質性的物理錯誤!
但是,可以放寬要求,將問題修改為"溫度趨於絕對零度"。那現在,我們裡討論另一個問題。基本粒子(這個詞語我不知道問主是從多少年前的書裡看到的,現在早就不用了)構成的體系,如果它不是熱力學體系,那就沒有溫度可言。既然談溫度,那就是大量粒子構成的體系。現在我們來看看,在趨於絕對零度的過程中,熱力學體系有什麼變化。
首先,經驗告訴我們,絕對零度下粒子的熱運動會消失。實驗也告訴我們許多有趣的事情。2015年,麻省理工學院一個團隊,用鐳射製冷獲得了500納開的溫度(也就是二百萬分之一開爾文),他們發現粒子不再像高溫那樣雜亂無章運動,而是高度服從量子規律。物質波在這裡扮演極為重要的角色。用他們的話說就是“粒子像物質波那樣運動”。這句話的意思就是,粒子具有很強的波動性。他們的實驗是最直接的證據。那為什麼粒子的波動性會很強。我下面簡單推導一些。
按照經驗,絕對零度粒子的熱運動消失,那麼有粒子的動能為0,進而得到,粒子的動量平均值和動量漲落為0(進而有動量為0,注意這裡的漲落是熱漲落,後面還有一個量子漲落)。物質波的波長與動量成反比,所以有
那麼可得物質波的波矢和波頻都為0,因此物質波可以寫為
A是一個常數。
現在要問,物質波為常數,其波動性到底如何?是不是像我們想的那樣,它標誌波動性消失了?為此,我們可以考慮求解一下某一個粒子的座標平均值,以及座標漲落(這裡的是量子漲落)。注意,這裡的物質波是大量粒子的波函式的直積。
這個結果不知道有多少人注意到了。即便注意到了,又有多少人考慮它的物理含義。按照經典力學的觀點,對於粒子而言,是有確定座標和動量的(不明白的,找本分析力學看看哈密頓-雅克比力學)。現在的情況是,粒子動量是確定的。但是粒子的座標卻十分不精確!這是典型的量子力學效應,而且這種情形對應的波動性是最強的。什麼意思呢?如果類比到宏觀世界(其實,如果普朗克常數不是那麼小,而是很大,量子效應就會在宏觀世界出現),就好比我們面前的人可以同時出現在空間任意一點,而且機率一樣大。在經典力學看來,這是波動性才具有的。所以,實驗和理論結果一致地告訴我們,如果溫度趨於絕對零度,那麼波動性不僅存在,而且十分強。
最後,我再補充一點,上面的所謂的“波動性很強”是經典力學的觀點,在量子力學裡,波動性和粒子性是統一的。如果我們換成海森伯格圖景,會有另一個解釋。放棄前面的de Broglie波,而是改用海森伯格方程。海森伯格方程與經典力學一樣是求解座標和動量的方程,而不是求解波函式。
在這裡我們有
上面用到了下面重要的關係式
考慮到p=0,所以求出x是常數(嚴格說是,不顯含時間的運算元)。
這件事情,說明此時的粒子高度像經典的粒子。但是我要說的是,海森伯格方程求的不是座標,而是座標算符。有意義的座標值,是要對這一算符求平均值的,所以結果和前面一樣。我補充這一點就是想說,在量子力學裡不要討論什麼波動性和粒子性,它們是統一的。這是量子力學最神奇的地方。
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4 # 蜈蚣百足w
絕對不會,兩個是不同的振動,溫度只是粒子在大尺度上的外部振動,頻率為每秒幾千上萬次,絕對零度就停止了,而波動是粒子內部振動,速度達到光速,頻率要高几個數量級,宇宙不消亡它就沒得停,就算到黑洞裡可能還在動。
回覆列表
個人對此的簡單理解是不會。
隨著溫度降低而逼近絕對零度,逐漸停下來的是隨機的熱運動。沒有隨機干擾後,量子力學控制下的波粒二象性反倒佔了上風,不需要熱運動就可以變換位置,所以才有了低溫物理學裡那麼多奇異的物理現象。