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標題: 零下273.15度的絕對零度能凍住光嗎﹖ [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2022-7-3 02:47 AM 標題: 零下273.15度的絕對零度能凍住光嗎﹖

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　　在對物理學有一定瞭解之前﹐人們認為﹐自然界當中﹐溫度的高低都是「無窮的」。但實際上﹐這二者都不是無窮的﹐且溫度的上限和下限差異非常大。理論上的最高溫度可以達到142兆開爾文﹐換算成攝氏度的話﹐14後面要跟好幾個「億」。而最低溫度就沒有這麼恐怖了﹐只有零下273.15攝氏度﹐也就是絕對零度。那麼﹐為什麼最低的溫度只能達到這個數值﹖它能凍住光嗎﹖
　　對於絕對零度﹐大部分人應該是非常陌生的﹐畢竟地球自然環境下的最低溫也基本在零下100℃上下。這裡說的絕對零度﹐其實是熱力學當中的最低溫度﹐可以表示為0K﹐如果將其單位換成攝氏度或者華氏度的話﹐就是零下273.15℃或者零下459.67℉。
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　　最先提出絕對零度的人就是威廉·湯姆遜·開爾文﹐但是他當時給出的關於絕對零度的定義十分抽像﹐所以這一概念是經過幾代科學家的反覆揣摩和研究﹐才變得逐漸清晰。自從絕對零度的概念被確定之後﹐關於它的實驗角逐就開始了﹐無數科學家投身其中﹐希望能夠第一個獲得成功﹐這種實驗直到現在都還在進行﹐可是從未有人獲得成功。
　　人們能做的似乎就是盡力讓溫度接近絕對零度﹐而想要達到那個限值是不可能的。如果我們用寒冷去理解絕對零度的話﹐它一定是一個非常恐怖的低溫﹐而任何生物在這種溫度之下都必死無疑﹐甚至說是瞬間就被凍結﹐這就是它的可怕之處。那麼這種低溫能否將光也凍住﹖光在絕對零度的環境下會變成什麼樣呢﹖
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　　每個人對光的看法不一樣﹐有人認為光是光波﹐這就代表它被凍住之後應該是波浪狀的。也有人認為光應該就是平直的線﹐這樣的話它被凍住後可能長得更像是一根棍子。需要注意的是﹐咱們前文中說了﹐科學家在這些年對絕對零度的實驗和探索當中﹐始終都沒有獲得成功﹐並且從理論上來說﹐未來咱們也只能朝著絕對零度不斷靠近。所以在討論絕對零度是否可以凍住光時﹐我們就設定一種絕對理想的狀態﹐假定絕對零度能夠在某個空間當中被實現。
　　那麼這樣來說的話﹐它能否凍住光呢﹖很遺憾﹐是無法凍住的﹐因為當光進入絕對零度的領域之內﹐帶有能量的光粒子就會開始能量傳遞。在這種情況下﹐好不容易營造出來的絕對零度環境就被輕鬆破壞了。所以從這一方面來說﹐絕對零度和光之間似乎有某種矛盾性﹐當二者相遇之後﹐平衡勢必會被打破。
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　　值得一提的是﹐說到這﹐大家可能不理解﹐為什麼說絕對零度無法達到﹐我們的科技不是已經很發達了嗎﹐竟然連數值這麼小的一個溫度都弄不出來。就算人類通過實驗無法做到﹐或者這種溫度在地球上不存在﹐難道浩瀚的宇宙當中就沒有一個可以維持絕對零度的「極寒之地」了嗎﹖
　　科學家當然不會只將目光放在地球的探索上﹐他們也試圖去尋找宇宙當中的極寒之地﹐功夫不負有心人﹐在1995年﹐智利的天文學家通過微米波望遠鏡找到了宇宙當中最冷的地方﹐也就是坐落在半人馬星座﹐距離地球約5000光年的布莫讓星雲﹐它也叫回力棒星雲。這個星雲的溫度為零下272℃﹐從這一數值可以看出﹐它和絕對零度之間依舊相差1.15℃。
　　科學家認為﹐這裡之所以會這麼寒冷﹐是因為它是由恆星核心的氣體構成的﹐這個核心氣體在進入宇宙空間的時候不僅速度很快還發生了膨脹﹐最終使得內部溫度不斷下降。
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　　實際上﹐此前科學家在試圖達到絕對零度的時候﹐也經常會使用讓氣體膨脹的方法﹐比如在十九世紀七十年代時﹐路易斯·保羅·卡耶泰就通過讓氣體膨脹﹐獲得了零下183℃的低溫。而到了1908年時﹐荷蘭萊頓大學的海克·卡末林·昂內斯在一次偶然的實驗中﹐實現了4.2K的低溫﹐並且獲得了液態的氦。
　　但是不論再怎麼實驗﹐絕對零度都無法達到﹐想知道為什麼﹐我們必須先要明白物體溫度的本質到底是什麼。
　　一個物體當中原子運動的頻率會使它的溫度出現變化﹐如果運動得特別快﹐那麼溫度就會變高。原子可以特別的活躍﹐其運動速度的上限是非常高的﹐但是下限卻十分有限。原子的運動最多可以達到靜止﹐永遠不能出現「負」的情況﹐所以人們就將原子在靜止時的溫度定義成了絕對零度。這時有人可能會說﹐這樣來看絕對零度不是可以達到嗎﹖
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　　開始人們確實是這樣認為的﹐可是在1890年的時候﹐德國的物理學家馬克思·普朗克拋出了這樣一個事實﹐即粒子的速度和位置都有不確定性﹐但是二者相乘之後的數字不能小於普朗克常數。1912年能斯特在他的著作《熱力學與比熱》中﹐將這一「熱學新理論」表述成﹕「不可能通過有限的循環﹐ 使物體冷到絕對零度。」這就是絕對零度不可能達到的定律﹐ 也就是熱力學第三定律通常採用的表述方法。
　　這就意味著如果粒子完全不動了﹐那麼它的結果就與這個定律相悖﹐在這種情況下﹐人們終於意識到﹐不管人們再怎麼努力﹐都達不到絕對零度。可能有些人不瞭解普朗克常數﹐那麼通俗點來解釋就是﹐如果物理達到了絕對零度﹐其體積也會一併消失﹐在這種情況下﹐實驗體都沒了﹐又何來絕對零度呢﹖
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　　綜上所述﹐人類對於絕對零度的追逐可能是永無止境的﹐因為我們永遠得不到它﹐只能不斷地減緩它的運動速度﹐讓數值降得更低一些。比如此前就有研究人員﹐通過雷射冷卻﹐製造出了史上最冷的反物質﹐其溫度接近絕對零度。
資料顯示加拿大國家粒子加速器中心的Makoto Fujiwara團隊與合作者﹐在瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究組織粒子物理實驗室進行了一項名為ALPHA-2的反氫捕獲實驗。他們在一個磁阱中創造了由約1000個反氫原子組成的「雲」。
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　　期待人類可以在這個不追逐絕對零度過程當中﹐不斷地挑戰絕對零度的極限﹐獲得更高的成就。可能有人覺得﹐既然定律都證明了無法達到﹐我們就不必白費力氣了﹐這是因為沒有看到在這個探索過程中絕對零度為世界帶來的「成果」。自從科學家發現可以通過讓氣體膨脹來降溫以後﹐就開始利用各種氣體花式做實驗﹐而昂內斯得到的液氦﹐就為科技的發展做出了卓越的貢獻。
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　　原來﹐某些金屬在低溫環境下﹐就會變成超導體﹐在這時它們的電阻會驟然下降﹐最高能達到15個數量級左右。擁有了這種發現後﹐昂內斯自然就獲得了1913年的諾貝爾獎。人類目前對於超導技術的研究雖然仍然有著重重壁壘﹐但是它已經在某些重要領域中發光發熱了。
　　除此之外﹐人們還在這一個過程中找到了超流體。所謂的超流體實際上就是內部沒有完全粘滯﹐它常常被用於各種高精度儀器當中﹐比如陀螺儀。並且﹐在人們對超流體的不斷研究中發現﹐如果咱們真的掌握了「鑰匙」﹐那麼量子計算機的研究將會被推到另一個高峰。
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　　總之﹐在低溫的世界當中﹐那些不可見的氣體﹐都會變成其他的形態﹐它們有著透亮的顏色﹐向我們訴說著這個世界的神奇之處。因此﹐人類對於低溫和絕對零度的探索是不能停歇的﹐有時候重要的或許已經不是結果了﹐而是我們在這個過程中的收穫。

作者: HiddenSimon 時間: 2022-7-3 01:03 PM

不確定性原理不是普朗克提出的，是海森堡在1927年提出的。

又，負溫度是存在的，不過它比正溫度熱，這是溫度定義造成的悖論。
https://en.wikipedia.org/wiki/Negative_temperature
https://www.quantum-munich.de/11 ... solute-Temperatures

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