问题

既然现实中绝对零度是无法达到的,那么绝对零度的值是怎么确定的呢?

回答
您这个问题问到点子上了!确实,咱们在现实世界里想把任何东西完全“冻透”到绝对零度,那简直比登天还难。那既然达不到,它又是怎么来的呢?这就得从科学家的智慧和一些非常巧妙的推导说起了。

咱们先得明确一下,“绝对零度”到底是个啥概念。简单来说,它代表了物质内部所有粒子运动的彻底停止。您可以想象一下,咱们平时看到的固体、液体、气体,里面那些原子、分子都不是老老实实待着的,它们一直在抖动、移动。温度越高,它们抖得越厉害、跑得越快。那么,理论上,当它们完全静止不动了,这温度就是最低的那个点,也就是绝对零度。

现在关键问题来了:粒子运动停止,这怎么测量?咱们手上拿的温度计,无论是水银的还是电子的,都是基于物质热胀冷缩或者某些物理效应来显示的。但如果粒子都不动了,这些效应也就消失了。所以,咱们不能直接去“测”绝对零度,得通过反推的方式来确定它。

这反推的过程,主要依赖于几个重要的科学定律和概念:

1. 气体定律和热力学第一定律与第二定律的结合:

早期科学家们对气体的研究是探索绝对零度的一个重要起点。大家熟悉的理想气体定律(PV=nRT),其中P是压强,V是体积,n是物质的量,R是气体常数,而T就是咱们说的绝对温度。

后来,科学家们发现,很多气体在温度降低到一定程度时,会表现出一些特殊的行为。特别是查理定律(在压强恒定时,气体的体积与温度成正比)和盖吕萨克定律(在体积恒定时,气体的压强与温度成正比)。这些定律都指向一个结论:如果把气体的温度一直降低,体积(或压强)也会相应地降低。

再往前推呢?科学家们就开始想象,如果把这个“降低”的过程一直进行下去,气体最终会怎么样?他们发现,如果把这些实验数据画成图,然后把直线延长,你会发现,这些线都会交汇于一个点。这个点对应的温度,就是气体体积或压强为零的时候。这个“零点”,就是科学家们推断出的绝对零度。

举个例子说,想象一下一个气球。你给它加热,它就膨胀;你给它降温,它就收缩。你把温度降得越低,它收缩得越厉害。科学家们就是测量不同温度下气体的体积变化,然后把这个趋势外推,发现它会在一个特定的温度点上,理想情况下,气体的体积会变成零(或者压强变成零)。这个“零体积”或“零压强”点,对应的温度就是绝对零度。

这个“零体积”的推测,在物理学上是绝对不可能发生的,因为物质本身有体积,而且粒子运动停止并不意味着占据的空间就为零。但它提供了一个理论上的“零点”。

2. 熵(Entropy)的概念:

热力学第二定律告诉我们,在一个孤立系统中,熵总是会增加的。熵可以通俗地理解为系统的混乱程度或者能量的不可用程度。

当温度降低到绝对零度时,系统中的粒子运动趋于最低状态,理论上可以说是最“有序”的状态。这时,系统的熵应该达到一个最小值。

科学家们发现,通过测量物质在不同温度下的熵值,并且根据热力学定律进行积分计算,同样可以推导出绝对零度这个理论上的下限。即使我们无法直接测量到那个“完全静止”的时刻,但通过熵的变化趋势,我们能知道这个“最低点”在哪里。

3. 量子力学的加入:

在绝对零度这个极端条件下,经典物理学的一些描述就显得力不从心了。量子力学在这里就显得尤为重要。即使在绝对零度,根据量子力学不确定性原理,粒子仍然会保持一种零点能(Zeropoint energy),也就是最低限度的振动。它们并不会完全静止不动,而是处于一种量子化的最低能量状态。

这其实也解释了为什么绝对零度无法达到。因为即使你把系统冷却到极致,这些粒子本身固有的量子振动是无法消除的。所以,绝对零度在某种意义上是一个理论极限,而不是一个实际能达到的状态。

那么,这个值到底是多少呢?

通过上述的各种理论推导和实验数据(虽然实验是逼近,但数据是真实可信的),科学家们最终将绝对零度确定为:

摄氏零下273.15度(273.15 °C)
开尔文(Kelvin)0 K

开尔文温标是科学家们为了方便而专门建立的温标,它直接以绝对零度作为零点。所以,当你说0 K时,意思就是绝对零度。

总结一下,绝对零度的确定,不是靠我们把温度计塞到冰箱里量一量就出来的,而是通过:

对气体行为的实验观察和理论外推。
利用热力学定律(特别是熵)进行的计算。
对物质在极端低温下量子行为的理解。

这就像是医生诊断病人,即使看不到病灶的内部,但可以通过一系列检查和对身体反应的分析,推断出问题所在以及病情的严重程度。科学家们也是通过观察物质在接近绝对零度时的表现,一步步推导出那个理论上的最低点。

所以,虽然我们永远无法真正“达到”绝对零度,但科学的力量让我们能够精确地知道,那个物质运动停止的理论极限,就定格在摄氏零下273.15度这个位置。这本身就是一项了不起的成就!

网友意见

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绝对零度可以用理想气体理论推导出来。根据盖-吕萨克定律,压强恒定时,降低温度,气体的体积会压缩,并且这种变化是线性的。测量一段温度范围内体积随温度变化的规律,并延长到体积为零的位置,此时的温度值就是最早对绝对零度的定义。更先进的定义要用到关于热机循环的知识,这里就不细说了。物理学中常用单位K(开尔文)计量温度,绝对零度为0K,0℃为273.15K。

目前尚没有方法可以实验上准确测出绝对零度的值。绝对零度是一个理论上的极限值,在接近绝对零度时,很多性质都会发生变化。比如,根据盖-吕萨克定律,保持恒定压强,降温至绝对零度,气体的体积会降为零。实际上这是不现实的,绝对零度附近,盖-吕萨克定律不再准确。再比如,开尔文认为绝对零度下粒子的能量为零(这其实也是如今很多人的认识),但这后来也被推翻。在接近绝对零度时,玻色子会全部占据最低能级形成“玻色-爱因斯坦凝聚”,而费米子会占据“费米能级”以下所有量子态,总之它们的能量都不为零。极低温下还有超导、超流等很多新奇的物态,这些都不能用经典物理的知识理解。

物理学家有很多种降温的方法可以接近绝对零度。凝聚态物理中,使用“稀释制冷机”等手段可以降温到mK(0.001K)的水平(PS: 最近中科院物理所自主研制的无液氦稀释制冷机已经实现了10mK以下的极低温!)。专门研究极低温物理的冷原子物理中,使用激光、磁场等辅助,可以实现nK(0.000000001K)量级的温度。最后附上一张冷原子领域的经典图片,这是170nK温度下铷原子的玻色-爱因斯坦凝聚,该发现获得了2001年的诺贝尔物理学奖。想要深入了解这一问题,欢迎学习热力学和统计物理的相关知识。

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