绝对零度为什么不可能发生

原标题:0K，不OK

我们的宇宙充满了无法打破的基本边界比如最著名的:质量大的物质速度不能超过光速，差不多是3× 108m/s，当然不止这些普朗克长度是可能的最小长度，其值为1.616 x10—35米普朗克时间是可能的最小时间:10—44秒，能存在的最低温度是绝对零度，即—273.15℃或—459.67℉和前面的数字相比，—273℃看起来并不算很小茫茫宇宙中难道没有一个温度比这更低的小角落吗

可以知道，在宇宙中，最低温度存在于这个地球上的一个实验室里，而且就像其他基本边界一样，达到0K的温度理论上不可能发生——技术上不可能目前，我们可以不断降低我们能达到的最低温度，到十亿分之一开尔文甚至更低，但我们永远无法达到0K

在解释原因之前，我们先说说什么是温度。

冷还是热

当我们通过触摸感到冷或热时，微观层面上发生了什么。

所有的分子，原子，质子或电子都有一种固有的振动，这种振动也叫动能，可以辐射热量粒子移动得越快，物质就越热当你在一壶水中滴下一滴墨水，墨水均匀扩散，你会发现这壶水也携带着那么多分子的运动振动较快的粒子会比振动较慢的粒子更猛烈地撞击你的皮肤理论上绝对零度是一种所有运动，也就是所有热量都不存在的状态

但是量子力学否认了这种情况的可能性。

除了温度，粒子的动能也决定了物质的性质与液体相比，固体中的粒子会轻微振动，但仍处于振动状态——即使在冰冷的铁块中，单个铁原子也在其固定的结构中振动

冰块受热时，水中的分子会获得能量，从晶体结构中分离出来，当液态水持续受热时，水分子可以获得更多的动能，逃逸成为蒸汽，当电子离开原子时，物质会被电离成等离子体，这种等离子体可以在宇宙恒星中找到。

此外，还有物质的第五种状态——玻色—爱因斯坦凝聚体，它是由一组已经冷却到非常接近零，几乎不动的原子组成的，这时，这些原子达到相同的能态，表现得像一个原子当所有的原子达到相同的量子态时，它们彼此之间是不可区分的，它们将遵循玻色—爱因斯坦统计定律，该定律适用于包括光子在内的不可区分粒子在这种状态下，我们会观察到超流性，超导性，无电阻等惊人现象

玻色—爱因斯坦凝聚体有两个特征:

1.这是一种目前只存在于实验室的物质状态。

2.科学家们花了几十年的时间才得到这种状态的物质，与此同时，三位物理学家获得了2001年的诺贝尔奖直觉上，物理学家捕获大量原子，并通过来自多个方向的激光将其冷却

超导

当一个原子冷却到临界值以下，就会出现一种现象——超导性比如温度低于—196℃时，某些金属的电阻会降到零:电子会在介质中流动，形成一个周期不衰减的电流

通常情况下，电子形成电流后往往会被阻挡导电介质的内部原子排列成点阵，会随机移动晶格中的原子释放电子产生电流，并带正电，吸引电子滚过就像平面上的摩擦力作用在滑块上一样，这样的障碍物会损失电流的能量，当温度降低时，导体的电阻会明显降低

但当超导发生时，现象会完全不同:当一种材料达到一定的冷度时，它的电阻会立即完全消失为了立即冲向终点，电流中的电子会成对结合——当一个电子流过晶格时，会导致周围带正电的原子向它弯曲，进而吸引相邻的电子与之结合两个电子锁在一起后，会在晶格中自由穿梭，不会损失能量这样的电子对只能在超导临界温度以下形成，一旦超过这个温度，热量就足以将它们分开

普通超导体只能在极低的温度下工作，需要非常昂贵的液氦来实现超导性一般用在非常复杂昂贵的设备上，比如医用磁共振成像但是什么时候能不能进入我们的日常生活就不好说了埃隆·马斯克的超级运输设备hyperloop将应用于两个超导磁体

20世纪80年代，科学家发现一些特殊的陶瓷可以在非常高的温度下转变成超导状态，这种技术只需向前迈出一小步就可以变得非常有用新型超导体的工作温度可以高达—135℃，虽然还是很低，但是用更便宜易得的液氮就可以实现当然，室温超导仍然是科学家追求的终极目标

但即使在超导或玻色—爱因斯坦凝聚体中，原子仍在缓慢运动理论上，如果我们继续冷却物质，将会有一个原子不再振动的点这个点的温度值不同于熔点或沸点，对所有物质都是一样的，也就是0K也就是说，对于宇宙中所有的元素，化合物，或者分子，为它们建立一个温度—振动关联表，对应100%，75%，50%，25%等等只要振动在0以上，不同材料的温度就不一样，但是0振动对于所有物质都是一样的，它们有一个共同的定义——0开尔文，我们无法达到的状态

红外热成像:不同的颜色对应不同的温度。

宇宙中所有的物质都辐射能量，或多或少，但一定存在，这是由于所有基本粒子的振动即高振动频率的高温和低振动频率的低温，不可能防止这种振动

在我们知道为什么粒子不能停止振动之前，我们需要区分温度和热能之间的一个重要差异。

你有没有想过为什么把手放在200℃的炉子里比放在100℃的开水里危害小这是因为即使炉内的温度很高，热能也低于沸水的热能物体的热能不仅与温度有关，还与所含粒子的数量和密度有关与沸水相比，炉中的单个粒子具有更高的能量，但每秒钟撞击你皮肤的水分子数量远大于炉中的粒子，从而携带更高的能量温度代表的是分子的平均动能，而热能反映的是物质所有粒子的动能之和，所以一座冰山的热能比一杯咖啡还要高

虽然炉子里的空气温度比锅里的开水温度高，但是水的能量密度更高，水携带的热量达到绝对零度。

现在我们知道，热只是某些原子和分子的固有振动的结果，也就是说冷不是物质的性质，只是反映了物质的热量比较小。

我们可以通过增加能量来提高一个封闭系统的温度，只要我们有足够的能量理论上，温度没有上限相反，当我们需要冷却一个系统时，我们需要从它那里获取能量，直到在某个点系统中没有能量剩余这是绝对的零点

热力学第三定律

但是当我们想通过这种方式把一个物体的温度降到最低时，问题就出现了如果没有更冷的东西呢宇宙中没有一个地方没有运动和热能，因为它总是从其他地方吸收热量如果一个纯物质的每个原子都完全保持在它的晶体结构中，那么理论上它可以达到绝对零度，此时它的熵为零

熵的定义之一是把它描述为一种物质中相互拥挤的原子和分子的数量，或者说是混乱的程度由于物质的随机性和不可预测性，能量转换并不完全有效，熵决定了有些能量不可能有用但是绝对冷的时候，分子会随机停止振动，能量的流向消失，不会有相应的激发分子热力学第三定律的关键是，当一个完美纯净的晶体的温度下降到零时，它的熵也会为零一种近乎稳定的惰性物质的混沌也将消退

但量子力学不允许混沌或熵为零——但可以极其接近于零，比如超导态下原子的熵。

除了传热，还可以通过压力和压强来控制温度:增大压强，减小体积，可以提高温度我们先假设有冷却到1K的氦气除了找到一种温度较低的介质来抽走能量，我们还可以通过膨胀来冷却它这个过程正在已知宇宙中最冷的地方发生——回旋镖星云，其温度为1K星云中的气体以其极快的速度解释了它为什么如此寒冷

距离地球5000光年的飞镖星云。

最近，麻省理工学院和欧洲粒子物理研究所实验室正在尝试使用我们前面提到的激光将纳米尺度物体的温度降低到最低水平，此时物质以玻色—爱因斯坦凝聚态存在这可能是整个地球甚至已知宇宙的最低温度——零上十亿分之一开尔文根据量子力学的理论，还原到0K需要无穷的能量

绝对零度或—273.15℃是所有粒子的所有固有振动停止的温度。

海森堡的测不准原理指出，即使在理论上，物体的位置和动量也无法同时精确确定但是当一个粒子停止运动时，我们就会知道它的确切位置和状态，这是量子力学原理所不允许的同时反过来证明绝对零度是无法达到的

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