基本介紹
- 中文名：絕對零度
- 外文名：absolute zero
- 提出者：開爾文（原名：威廉·湯姆遜）
- 提出時間：1848年
- 具體攝氏溫度：零下273.15攝氏度
- 具體華氏溫度：零下459.67華氏度
- 套用領域：物理
定義,詳細內容,熱力學基礎,基於理想氣體狀態方程的推導,發展歷史,拓展內容,低溫物理學的套用,宇宙中最冷的地方,
定義
開爾文溫標（K）是以絕對零度作為零點的熱力學溫標，每一度開爾文的變化與攝氏度相同，即1K = 1℃。絕對零度是指熱力學溫標的零點，即0 K。在這個溫度下，理想情況下，物質內部的分子和原子的動能降至最低，但根據量子力學，粒子的零點能量仍然存在，因此分子並不會完全靜止。絕對零度相當於攝氏溫標下的-273.15℃或華氏溫標下的-459.67℉。
詳細內容
熱力學基礎
絕對零度的概念基於熱力學定律，特別是熱力學第三定律。該定律表明隨著溫度接近絕對零度，物質的熵趨近於一個常數。在絕對零度下，理想晶體的熵為零。在絕對零度時，物質分子的動能為最低，但根據量子力學，粒子的零點能量仍然存在，因此分子並不會完全靜止。
在接近絕對零度時，熱德布羅意波長變得很長，粒子與粒子之間的物質波有很大的重疊，因此量子力學的效應就會變得很明顯。著名的現象之一就是玻色-愛因斯坦凝聚。玻色-愛因斯坦凝聚在1995年首次被實驗證實，當時溫度僅有170 nK。
基於理想氣體狀態方程的推導
絕對零度是根據理想氣體所遵循的規律（即理想氣體狀態方程PV=nRT），用外推的方法得到的。用這樣的方法，當溫度降低到-273.15℃時，氣體的體積或壓強將減小到零。如果從分子運動論的觀點出發，理想氣體分子的平均動能由溫度T確定，那么也可以把絕對零度說成是“理想氣體分子停止運動時的溫度”。以上兩種說法都只是一種理想的推理。事實上一切實際氣體在溫度接近-273.15℃時，將表現出明顯的量子特性，這時氣體早已變成液態或固態。總之，氣體分子的運動已不再遵循經典物理的熱力學統計規律。通過大量實驗以及經過量子力學修正後的理論導出，在接近絕對零度的地方，分子的動能趨於一個固定值，這個極值被叫作零點能量。這說明絕對零度時，分子的能量並不為零，而是具有一個很小的數值。此時，全部粒子都處於能量可能有的最低的狀態，也就是全部粒子都處於基態。
發展歷史
19世紀：英國物理學家威廉·湯姆遜（即開爾文男爵）依據前人的研究成果，正式提出了絕對零度的概念。他將絕對零度解釋為物體內能降低至零，分子運動完全停止的狀態。這一概念的提出，為熱力學領域設定了一個終極目標，引發了科學界對低溫極限的探索。
19世紀末到20世紀初：物理學家們開始通過實驗方法接近絕對零度。例如，法國科學家路易斯·保羅·卡耶泰在19世紀70年代末成功地製得了液氧，液氧的溫度達到了-183℃。
隨著20世紀初量子力學的發展，科學家們逐漸認識到即使在絕對零度下，粒子也會因為量子漲落而保持一定的能量狀態。這顛覆了開爾文最初的構想，也為後來的低溫物理學研究開闢了新的方向。
20世紀中後期，科學家們發明了雷射冷卻和蒸發冷卻等先進技術，使得物質能夠被冷卻到接近絕對零度的溫度。1995年，科學家首次實現了玻色-愛因斯坦凝聚態（BEC），這是在接近絕對零度的溫度下出現的一種新的物質狀態，是在極低溫下觀察到的一種量子相變現象。BEC的出現進一步證明了絕對零度的重要性，並為量子物理的研究提供了新的平台。
近年來，科學家們通過實驗發現了負絕對溫度的可能性。具有負溫度的系統並不比絕對零度更冷，而是比正溫度系統更熱。在某些特定條件下，系統的大部分粒子可以處於高能態而少數粒子處於低能態。這一發現不僅挑戰了傳統熱力學觀念，也為探索新的物質狀態提供了可能性。
拓展內容
低溫物理學的套用
接近絕對零度的極低溫環境為科學研究提供了獨特的條件。例如，在這種環境下，科學家可以觀察到超導、超流等奇特現象，這些現象對於理解物質的本質和開發新技術具有重要意義。此外，低溫物理學還在量子計算、精密測量等領域發揮著重要作用。
