绝对零度—零下273.15℃,究竟是一种什么概念?
绝对零度,是热力学的最低温度,但只是理论上的下限值。热力学温标的单位是开尔文(K),绝对零度就是开尔文温度标(简称开氏温度标,记为K)定义的零点。0K约等于摄氏温标零下273.15摄氏度,也就是0开氏度。在此温度下,物体分子没有动能和势能,动势能为0,故此时物体内能为0。
物质的温度取决于其内原子、分子等粒子的平均动能。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布,粒子平均动能越高,物质温度就越高。理论上,若粒子平均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,根据热力学第三定律,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。
在绝对零度下,原子的运动完全停止了,那么就意味着我们能够精确地测量出粒子的速度(0)。在这样的非常温度下,物质呈现的既不是液体状态,也不是固体状态,更不是气体状态,而是聚集成唯一的“超原子”,它表现为一个单一的实体。
本期节目,我们就来一起深入探讨下,“绝对零度”究竟是个什么概念?而处在这种温度下的物质,又会发生怎样的变化呢?