绝对零度

  • 更新时间: 2017-09-12
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绝对零度 absolute zero 是热力学的最低温度,是粒子动能低到量子力学最低点时物质的温度。绝对零度是仅存于理论的下限值,其热力学温标写成K,等于摄氏温标零下273.15度(即−273.15℃)。

物质的温度取决于其内原子、分子等粒子的动能。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布,粒子动能越高,物质温度就越高。理论上,若粒子动能低到量子力学的最低点时,物质即达到绝对零度,不能再低。然而,根据热力学第二定律,绝对零度永远无法达到,只可无限逼近。因为任何空间必然存有能量和热量,也不断进行相互转换而不消失。所以绝对零度是不存在的,除非该空间自始即无任何能量热量。在此一空间,所有物质完全没有粒子振动,其总体积并且为零。

有关物质接近绝对零度时的行为,可初步观察热德布洛伊波长。定义如下:

绝对零度,by 5lulu.com

其中h为普朗克常数、m为粒子的质量、k为玻尔兹曼常量、T为绝对温度。可见热德布洛伊波长与绝对温度的平方根成反比,因此当温度很低的时候,粒子物质波的波长很长,粒子与粒子之间的物质波有很大的重叠,因此量子力学的效应就会变得很明显。著名的现象之一就是在1995年首次被实验证实的玻色-爱因斯坦凝聚,当时温度降至只有1.7×10-7 K。

1 逼近绝对零度的方法

和外太空宇宙背景辐射的3K温度做比较,实现玻色-爱因斯坦凝聚的温度1.7×10-7K远小于3K,可知在实验上要实现玻色-爱因斯坦凝聚是非常困难的,因为这代表着我们需要将温度降到宇宙背景辐射之下,而在整个可知宇宙环境中并不存在如此低温的环境。要制造出如此极低的温度环境,主要的技术是激光冷却和蒸发冷却。[1]

  • 激光冷却
  • 蒸发冷却

2 负温度

在常用的摄式或华式温标下,以负数形式表示的温度只是单纯的比此两种表示方式下的零数值温度更低的温度。然而某些热力学系统是可以达到真正意义上的负温度的,换句话说,这些系统在热力学定义下的温度(以热力学温标K表示)可以是一个负的值。一个具有负温度的系统并不是说它比绝对零度更冷。恰恰相反,从感官上来讲,具有负温度的系统比任意一个具有正温度的系统都更热一些。当分别具有正负温度的两个系统接触时,热量会由负温度系统流向正温度系统。[2]

大多数常见的系统都无法达到负温度,因为增加能量也会使得它们的熵增加的。但是,某些系统能够持有的能量是有上限的,当能量达到这个上限时,它们的熵实际上会减少。因为温度是由能量和熵之间的关系来定义的,所以即使能量在不停的增加,这个系统的温度仍会变成负值。[2]所以,当能量增加时,对于处于负温度的系统,描述其状态的玻尔兹曼因子会增大而不是减小。因此,没有一个完备的系统——包括电磁系统——能够达到负温度,这是因为能量状态不会达到最大,所以不会有负温度出现。但是,对于准均衡系统(如因自旋而导致不均衡的电磁场)这一理论并不适用,所以准均衡系统是可能达到负温度的。

2013年1月3日,有物理学家声称首次制造出了高等自由态的负温度系统,该系统是由钾原子组成的量子气体。

3 真空能量

在绝对零度下,任何能量都应消失。可就是在绝对零度下,依然有一种能量存在,这就是真空零点能。

真空零点能,因在绝对零度下发现粒子的振动而得名。这是量子真空中所蕴藏着的巨大本底能量。海森堡不确定性原理指出:不可能同时以较高的精确度得知一个粒子的位置和动量。因此,当温度降到绝对零度时粒子必定仍然在振动;否则,如果粒子完全停下来,那它的动量和位置就可以同时精确的测知,而这是违反测不准原理的。这种粒子在绝对零度时的振动(零点振动)所具有的能量就是零点能。

量子真空是没有任何实物粒子的物质状态,其场的总能量处于最低,这是一切物质运动及能量场的最初始状态,它的温度自然处于绝对零度。这样的状态具有无限变化的潜在能力。零点能就是由(量子真空中)虚粒子,不断产生的一对反粒子的出现和湮灭产生的。据推测,量子真空中,每立方厘米包含的能量密度有10^13焦耳。

从理论上看,真空能量以粒子的形态出现,并不断以微小的规模形成和消失。真空中充满着几乎各种波长的粒子,但卡西米尔认为,如果使两个不带电的金属薄盘紧紧靠在一起,较长的波长就会被排除出去。接着,金属盘外的其他波就会产生一种往往使它们相互聚拢的力,金属盘越靠近,两者之间的吸引力就越强。1996 年,物理学家首次对这种所谓的卡西米尔效应进行了测定。这是证明真空零点能存在的确凿证据。



标签: 平方根 电磁场 量子

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