关于绝对零度的最完整解释

友情提醒：硬核，不要轻易尝试！！！

绝对零度：完整解释

绝对零度是可能存在的最低温度。它对应于热力学温标的下限。也就是说，它是理想气体的焓和熵达到指定为0的最小值的状态。该理论温度是通过外推理想气体定律来确定的。根据国际公约，绝对零度值固定在-273.15°C（摄氏度）或-459.67°F（华氏度）左右。根据定义，开尔文和兰金量表认为绝对零为零。请注意，开尔文标度不能接受负数。

热力学定律意味着绝对零度不能仅靠热力学方法实现。冷却剂的温度渐近接近冷却剂的温度。在量子力学中，绝对零度的系统具有零点能量，即绝对零度的基态能量。基态的动能是无法消除的。

1702年，绝对零度状态首先由法国物理学家和科学家纪尧姆·阿蒙顿提出，他研究了气体温度和压力之间的关系，但没有精确的温度计可供他使用。虽然他的结果是定性的，但他发现，在给定体积中封闭的给定量气体的压力从“冷”温度增加到水的沸点增加约三分之一，并且在温度下不会发生压力。

1824年，萨迪·卡诺（Sadi Carnot）出版了他的主要著作：对火的驱动力和适合这种力量发展的机器的思考。在早期评论家省略的脚注中，他认为理想热机的效率可能是绝对温标的基础。

1848年，威廉·汤姆森（开尔文勋爵）提出了一个绝对温标，其中测量的温降对应于所研究体内的等效热降。这个概念将绝对零度确定为热量不能再从不受气体定律约束的物体转移的温度。

描述

绝对零度定义为只能渐近达到的最低可能温度。这是理论性的，不可用。在0 K的温度下，该物质不再包含宏观尺度上占据几个微观能级所需的热能（或热量）。它的组成粒子（原子，分子）处于相同的最小能量状态（基态）。这导致零熵，因为这些粒子不能用相同水平的基态能量来区分，也因为它们在经典意义上完全不动。

然而，根据量子物理学理论，遵循不确定性原理（海森堡），粒子总是具有非零动量。事实上，在接近绝对零度时，身体的分子具有越来越精确的力矩（接近于零），并且它们的位置仍然存在内部不确定性。然而，当他们试图停止时，他们的立场也变得更加清晰。他们观察量子不确定性的原理，因为他们倾向于接近绝对零度的最小能量状态。我们谈论的是绝对零度的残余能量。

物理学家发现，当接近这个极限时，一些物质获得了独特的性质。一些作为氦的稳定同位素的液体完全失去其粘度。这是超流动性。此外，一些金属或合金会失去电阻（这是超导性），或者相反，具有非常高的电阻（这是超绝缘）。

方法

在实践中，今天0.21 K通常是通过氦气蒸发来实现的，但是另一种方法，称为“顺磁性材料的绝热退磁”，即使在低温下也可以将此数字减少到1×10-6 K。最后，含有玻色 - 爱因斯坦凝聚物的原子气冷玻色子可以达到1×10-9 K的温度。正是这种激光冷却方法，麻省理工学院研究人员用它来记录450 pK。

极低的温度

核消磁可以通过低温冰箱，稀释冰箱和低温恒温器实现，但不能实现绝对零度。用激光冷却原子可以达到低于开尔文十亿分之一的温度。在接近绝对零度的极低温度下，物质表现出许多不寻常的性质，例如超导性，超流动性和玻色 - 爱因斯坦凝聚。为了研究这些特性，科学家们试图达到更低的温度。

负绝对温度

在一些量子物理实验中，算子计算负热力学温度。这些非常低的负值（从几皮开尔文到几纳开尔文）在测量一些非常具体的量子系统时表现出来，其中熵达到其最大值，然后随着额外能量的增加而降低。因此，测量到的负绝对温度的样品不应被视为比绝对零度“冷”，因为它们会向与它们接触的其他系统提供热量。负温度并不意味着在某些时候温度已经超过绝对零度，并且“绝对零度仍然无法实现”。

2013年1月，物理学家在科学杂志《自然》上发表了第一个从钾原子中产生气体的负绝对温度，由热力学自由度决定。该方法是捕获在正绝对温度下不稳定的配置中的原子，如果陷阱是稳定的，则为系统分配负绝对温度。这项工作的意义和重要性尚待确定。

大约140亿年前，宇宙诞生时就升温到1032°C的巨大温度，今天，它的主要特征是寒冷。但是在这里，在地球上，零下200°C的霜冻不会威胁到我们。因此，我们希望超低温的故事有助于在寒冷中温暖我们的心。

威廉·汤姆森，开尔文勋爵英国物理学家，热力学、电动力学和力学专家。开尔文热力学温度单位是国际体系中的七个测量单位之一，以他的名字命名。/注意/拉引号

过去，开尔文勋爵将慢管家称为绝对零度。这个词就是这样诞生的。笑话。此外，这位科学家并不是第一个确定最低温度的人。

18世纪初，法国物理学家纪尧姆·阿蒙顿曾考虑过“绝对寒冷”。他发现，当空气从0°C（水的冰点）加热到100°C（沸腾）时，压力会增加约三分之一。这位科学家想知道：需要多少时间来冷却空气才能使压力消失，即使空气变得坚固？一个半世纪后，英国物理学家威廉·汤普森（当时尚未被授予开尔文勋爵的头衔）根据类似的考虑计算出几乎精确的绝对零度值。然后，开尔文从那时起就构建了一个刻度。

实际上，绝对零度并不存在。为什么？体温是由原子的运动产生的。这意味着在-273.15°C的温度下，所有原子都必须处于静止状态。但这是不可能的，因为量子效应，即所谓的零振荡，它也存在于真空中。

自然界中最低的多少是 1K （-272°C）

你试图在哪里找到最低温度？也许在一个没有热源的地方，例如，在远离星系的太空中？不幸的是，即使是宇宙沙漠也会失败，因为它会升温几度，即高达2.725 K，这是由于宇宙大爆炸遗留下来的宇宙微波背景辐射。

然而，事实证明，在宇宙中可能存在比空性更冷的东西。1995年，智利欧洲南方天文台的天文学家估计，回旋镖星云中的恒星气体以600，000公里/小时的速度喷发。其本质是，随着气体的快速膨胀，内部热能被消耗，因此同时冷却。星云用于增加气体包络。这个原理是大多数冰箱工作的基础。

太阳系中最低的多少 -240°С

离太阳越远，它似乎越冷，在某种程度上这是真的。三个最冷的地方包括海王星的卫星海卫一（低于-237.6°C），冥王星（-230°C）和意外的月球。

可以理解为什么海卫一这么冷。毕竟，它距离太阳45亿公里。冥王星比它应该得更冷，因为当行星接近太阳时，其表面的氮冰会融化，并在远离太阳时再次形成。结果，它的表面像汗流浃背的人体一样冷却。另一方面，月球是一个记录保持者，因为它的底部有深深的陨石坑，阳光无法进入。此外，其表面可以加热到100°C以上的温度。

应该指出的是，太阳系中仍有许多未开发的天体，奥尔特云和柯伊伯带的一些物体很可能会将月球从它的位置移开。

最低的人造。多少 50 皮开尔文 （0.000 000 000 05 K）

许多材料在非常低的温度下表现出卓越的性能。例如，金属变成超导，液体和冷凝气体变成超流体。在接近绝对零度的温度下，玻色 - 爱因斯坦凝聚发生 - 一种物质状态，其中所有原子获得相同的能级并且彼此无法区分。

根据发表在《物理评论快报》杂志上的一篇文章，今年春天，物理学家马克·卡塞维奇（Mark Kasevich）和斯坦福大学的同事们能够将10万个铷原子的凝聚物冷却到约50皮开尔文。该指标是在抑制原子运动的特殊激光的帮助下实现的。

地球上最低的什么距离 -89.2°С

东方不仅是一个微妙的问题，而且在南极基地方面也是一个非常寒冷的问题。苏联气象学家在1983年记录的-89.2°C的温度记录现在存在争议。例如，最近在日本富士巨蛋极地天文台附近报告了低至-2°C的温度。然而，测量是使用仅读取表面温度而不是空气的卫星进行的。

雅库特的两个定居点正在争取被视为北半球寒冷地区的权利。这是维尔霍扬斯克市和奥伊米亚康村（事实上，谈论奥伊米亚康区更正确，因为在那里进行观察）。（距离村庄40公里）。在维尔霍扬斯克，记录的温度仍然略低--67.8°C。

然而，Oymyakon的捍卫者并没有放弃，不仅试图移动他们的邻居 - 竞争对手，而且还挑战世界纪录。正如他们正确指出的那样，沃斯托克基地位于海拔三公里以上的高度，而奥伊米亚康位于海拔700米的高度，这使得它们的高度相同，这意味着奥伊米亚康是地球上最冷的地方。事实上，海拔仅100多米的维尔霍扬斯克在这些讨论中被遗忘了。

宇宙中273度

什么是绝对零度（通常为零）？这样的温度真的存在于宇宙的任何地方吗？在现实生活中，是否有可能将某些东西冷却到绝对零度？本文试图回答这些问题和其他有趣的问题。

对寒冷的边界感兴趣的原因有很多。也许你是一个不可思议的超级恶棍，他想利用冻结的力量，了解你的能力。或者你想知道你是否可以克服一波寒冷。让我们来探索低温的极限。

物理意义

你不必是物理学家就能熟悉温度的概念。但是，如果你突然不幸地在森林或其他星球上长大，这里有一个快速概述。

温度是材料中内部随机能量的量度。“内部”一词至关重要。当你扔雪球时，主要运动发生得相当快，但雪球仍然很冷。另一方面，如果你看看在房间里飞来飞去的空气分子，那么普通的氧气分子就会以每小时几千公里的速度飞行。

对于专家来说，温度比我们说的要复杂一些，因为我们倾向于对技术细节保持沉默。温度的真正定义是每个熵单位必须消耗多少能量（由于缺乏更合适的术语，残疾，我们已经详细阐述了熵）。但是，让我们跳过所有的微妙之处，专注于这样一个事实，即随着温度的下降，冰中空气和水的随机分子移动和振动得更慢。

绝对零度在 -273.15 摄氏度或 -459.67 华氏度时正好是 0 开尔文。这是热运动完全停止的点。

分子和原子何时停止？

对这个问题的经典考虑是，一切都止步于绝对零度，但正是在这一点上，量子力学的可怕枪口从拐角处探出头来。量子力学的一个预言已经染上了不止一个物理学家的血液，那就是粒子的确切位置和动量永远无法完全确定地测量。这被称为海森堡的不确定性原理。

如果密闭的房间可以冷却到绝对零度，就会发生奇怪的事情（稍后会详细介绍）。气压将降至几乎为零，空气将散落在地板上的薄层中，因为气压通常不会屈服于重力。

但是，如果您可以测量单个分子，则可以看到有趣的东西。它们振动和旋转。量子不确定性适用。如果我们测量二氧化碳分子在绝对零度的旋转，我们发现氧原子以每小时几公里的速度围绕碳旋转。

对话结束。当我们谈论量子世界时，运动失去了意义。在这样的尺度上，粒子不是静止的，因为一切都是由不确定性决定的。你不能像测量静止的粒子一样测量它。

是否有可能达到绝对零度？

追求绝对零度与追求光速一样，也遇到了同样的问题。达到光速需要无限量的能量，达到绝对零度需要释放无限量的热量。如果有的话，这些过程都是不可能的。

尽管我们还没有达到绝对零度的实际状态，但我们非常接近它（然而，在这种情况下，“非常”是一个非常粗略的概念，就像在儿童计数押韵中一样：二，三，四，四和半，四个在一个线程上，四个在线程上，五个线程上）。地球上有记录的最低温度是1983年南极洲的-89.15摄氏度（184K）。

当然，如果你想像个孩子一样放松，你需要潜入宇宙的深处。整个宇宙充满了来自大爆炸的残余辐射。宇宙中最空旷的区域，2.73开尔文，略低于液氦的温度，液氦在一百年前能够到达地球。

然而，低温物理学家使用升华光束将这项技术提升到一个全新的水平。您可能会惊讶地发现，冷冻光束的形状像激光。但是如何做到呢？激光应该燃烧。

这是真的，但激光有一个特点：它可以用作最后通牒。它甚至可以被称为最后通牒。事实是，所有光都以相同的频率发射。普通的中性原子根本不与光相互作用，除非频率被精确调谐。当原子飞向光源时，光经历多普勒频移以更高的频率。原子吸收的光子能量比它们能吸收的要少。因此，如果激光被设置为低电平，快速移动的原子会吸收光并在随机方向上发射光子，从而损失平均少量的能量。这个过程可以重复，将气体冷却到小于一纳开尔文（十亿分之一度）的温度。

事情变得更加极端。最低温度的世界纪录是绝对零度以上不到十亿分之一度的十分之一。允许您实现这一目标的设备可以捕获磁场中的原子。温度“主要取决于原子核的自旋，而不是原子本身。

现在，为了公平地做到这一点，我们需要一点梦想。想象一下，一些东西冻结了十亿分之一度，你肯定会得到一个想法，即使是空气分子也会冻结在原地，通常在1.5摄氏度左右。我们甚至可以想象冻结原子旋转的破坏性世界末日装置。

最后，如果你真的想体验低温，你只需要等待。在大约170亿年后，宇宙辐射的背景温度将下降到1K，950亿年后，温度将下降到0.01 K左右。4000亿年后，深空将像地球上最冷的实验一样寒冷，之后甚至更冷。如果你想知道为什么宇宙冷却得这么快，你可以感谢我们的老朋友——熵和暗能量。宇宙处于加速模式，进入一个永恒的指数增长期。一切都很快冻结。

在 0 开尔文时会发生什么？

当然，这一切都很棒，打破记录也很棒。但有什么意义呢？好吧，有很多很好的理由来了解底部和赢家的温度。

例如，美国国家标准与技术研究院的善良人士只想度过凉爽的时光。例如，时间标准基于铯原子的频率。如果铯原子移动得太多，就会在测量中产生不确定性，并最终导致时钟失灵。

但更重要的是，特别是从科学的角度来看，这些材料在低温下表现出异常的行为。例如，就像激光由彼此同步的光子组成（具有相同的频率和相位）一样，它可以产生一种称为玻色 - 爱因斯坦凝聚物的材料。在其中，所有原子都处于相同的状态。或者，想象一个汞合金，其中每个原子都失去了它的个性，整个质量都反应为一个超零原子。

在非常低的温度下，许多材料会变成超流体。这意味着它们是绝对粘稠的，可以堆叠在非常薄的层中，甚至不会屈服于重力以最小化能量。此外，在低温下，许多材料成为超导材料。这意味着电阻被排除在外。为了响应外部磁场，超导体可以完全抵消金属内部的磁场。因此，低温和磁铁的组合可以用来产生一种悬浮。

为什么有绝对零度但没有绝对最大值？

让我们看看另一个极端。如果温度只是能量的量度，那么你可以想象原子越来越接近光速。这不能无限期地持续下去，不是吗？

答案很简单。不知道。有可能存在无限的温度，但如果有一个绝对的限制，那么早期的宇宙提供了非常有趣的线索，关于它可能是什么。曾经存在的最高温度（至少在我们的宇宙中）可能发生在所谓的“普朗克时间”。引力在大爆炸后10^-43秒与量子力学和物理学分离。当时的温度约为10^32 K，比太阳内部的温度高出70亿倍。

同样，我们不知道这是否是有记录以来的最高温度。在普朗克的时代，我们甚至没有一个大型的宇宙模型，所以我们甚至不能确定宇宙是否被带到了这样的状态。无论如何，我们更接近绝对零度比绝对热量近很多倍。