绝对零度-热力学的最低温度-中文百科全书

研究简史

1848年，英国科学家威廉·汤姆逊·开尔文勛爵(1824~1907)建立了一种新的温度标度，称为绝对温标，它的量度单位称为开尔文(K)。这种标度的分度距离同摄氏温标的分度距离相同。它的零度即可能的最低温度，相当于零下273摄氏度(精确数为-273.15℃)，称为绝对零度。因此，要算出绝对温度只需在摄氏温度上再加273即可。那时，人们认为温度永远不会接近于0(K)，但今天，科学家却已经非常接近这一极限了。

低温下超导体产生的磁浮现象

物体的温度实际上就是原子在物体内部的运动。当我们感到一个物体比较热的时候，就意味着它的原子在快速运动:当我们感到一个物体比较冷的时候，则意味着其内部的原子运动速度较慢。我们的身体是通过热或冷来感觉这种运动的，而物理学家则是绝对温标或称开尔文温标来测量温度的。

按照这种温标测量温度，绝对温度零度(0K)相当于摄氏零下273.15度(-273.15℃)被称为绝对零度，是自然界中可能的最低温度。在绝对零度下，原子的运动完全停止了，那麽就意味着我们能够精确地测量出粒子的速度(0)。然而1890年德国物理学家马克斯·普朗克引入的了普朗克常数表明这样一个事实:粒子的速度的不确定性、位置的不确定性的乘积一定不能小于普朗克常数，这是我们生活着的宇宙所具有的一个基本物理定律(海森堡不确定关系)。那麽当粒子处于绝对零度之下，运动速度为零时，与这个定律相悖，因而我们可以在理论上得出结论，绝对零度是不可以达到的。

自然界最冷的地方不是冬季的南极，而是在布莫让星云。那裏的温度为零下272摄氏度，是目前所知自然界中最寒冷的地方，成为宇宙冰盒子。事实上，布莫让星云的温度仅比绝对零度(零下273.15℃)摄氏度高1度多。这个热度(因为实际上我们谈到的温度总是在绝对零度之上)是作为宇宙起源的大霹雳留存至今的热度，事实上，这是证明大霹雳理论最显着有效的证据之一。

布莫让星云

在实验室中人们可以做得更好，能进一步地接近于绝对零度，从上个世纪开始，人们就已经製成了能达到3K的製冷系统，并且在10多年前，在实验室裏达到的最低温度已是绝对零度之上1/4度了，后来在1995年，科罗拉多大学和美国国家标準研究所的两位物理学家爱裏克·科内尔和卡尔威曼成功地使一些铷原子达到了令人难以置信的温度，即达到了绝对零度之上的十亿分之二十度(2×10^-8 K)。他们利用雷射束和磁陷阱系统使原子的运动变慢，我们由此可以看到，热度实际上就是物质的原子运动。非常低的温度是可以达不到的，而且还要以寻求阻止每一单个原子运动，就像打撞球一样，要使一个球停住就要用另一个球去打它。弄明白这个道理，只要想一想下面这个事实就够了。在常温下，气体的原子以每小时1600公裏的速度运动着，而在3K的温度下则是以每小时1米的速度运动着，而在20nK(2×10^-8 K)的情况下，原子运动的速度就慢得难以测量了。在20nK下还可以发现物质呈现的新状态，这在70年前就被爱因斯坦和印度物理学家玻色(1894~1974)预见了。

事实上，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。

据《自然》杂志网站1月3日报道，德国物理学家用钾原子首次造出一种低于绝对零度的量子气体。科学家称这一成果为实验的绝技，为将来造出负温度物质、新型量子设备开启了大门，有助于揭开宇宙中的许多奥密。

18世纪中期，开尔文男爵威廉·汤姆森定义了绝对温度，在此规定下没有物质的温度能低于绝对零度。气体的绝对温度与它所包含粒子的平均能量有关，温度越高，平均能量越高，而绝对零度是气体的所有粒子能量都为零的状态，这是一种理想的理论状态。到了上世纪50年代，物理学家在研究中遇到了更多反常的物质系统，发现这一理论并不完全正确。

慕尼黑路德维格·马克西米利安大学物理学家乌尔裏奇·施奈德解释说，从技术上讲，人们能从一条温度曲线上读出一系列温度数，但这些数位表示的只是它所含的粒子处于某个能量状态的概率。通常，大部分粒子的能态处于平均或接近平均水準，只有少数粒子在更高能态上下。理论上，如果这种位置倒转，使多数粒子处于高能态而少数粒子在低能态，温度曲线也会反过来，温度将从正到负，低于绝对零度。2001年诺贝尔物理学奖得主沃尔夫冈·克特勒也曾证明，在磁场系统中存在负绝对温度。

施奈德和同事用钾原子超冷量子气体实现了这种负绝对零度。他们用雷射和磁场将单个原子保持晶格排列。在正温度下，原子之间的斥力使晶格结构保持稳定。然后他们迅速改变磁场，使原子变成相互吸引而不是排斥。施奈德说:这种突然的转换，使原子还来不及反应，就从它们最稳定的状态，也就是最低能态突然跳到可能达到的最高能态。就像你正在过山谷，突然发现已在山峰。

在正温度下，这种逆转是不稳定的，原子会向内坍塌。他们也同时调整势阱雷射场，增强能量将原子稳定在原位。这样一来，气体就实现了从高于绝对零度到低于绝对零度的转变，约在负十亿分之几开氏度。

克特勒现任美国麻省理工大学物理教授，他称此最新成果为一项实验的绝技。在实验室裏，反常高能态在正温度下是很难产生的，而在负绝对温度下却会变得稳定--就像你能把一个金字塔倒过来稳稳的放着，而不必担心它会倒。克特勒指出，该技术使人们能详细研究这些反常高能态，也可能成为创造新物质形式的一条途径。

德国科隆大学理论物理学家阿希姆·罗施说，如果真能造出这些物质系统，它们会表现出奇特的行为。根据和他的同事计算，正常情况下原子云受重力影响会被向下拉，如果一部分云处于负绝对温度，某些原子就会向上运动，明显违背重力作用。

负绝对温度气体还能模拟暗能量。暗能量是推动宇宙加速膨胀、抵抗万有引力内向拉力的力量。施奈德指出，在他们生成的气体中，相互吸引的原子也有向内坍塌趋势，但负绝对温度却能遏製它们向内运动而保持稳定。这种宇宙中普遍存在的奇特现象如今也能在实验室看到，值得宇宙学家进一步研究。

真空零点能

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，而这是违反测不準原理的。这种粒子在绝对零度时的振动(零点振动)所具有的

处于绝对零度的宇宙边缘处

能量就是零点能。

量子真空是没有任何实物粒子的物质状态，其场的总能量处于最低，这是一切物质运动及能量场的最初始状态，它的温度自然处于绝对零度。这样的状态具有无限变化的潜在能力。零点能就是由(量子真空中)虚粒子，不断产生的一对反粒子的出现和湮灭产生的。据推测，量子真空中，每立方釐米包含的能量密度有10^13焦耳。

从理论上看，真空能量以粒子的形态出现，并不断以微小的规模形成和消失。真空中充满着几乎各种波长的粒子，但卡西米尔认为，如果使两个不带电的金属薄盘紧紧靠在一起，较长的波长就会被排除出去。接着，金属盘外的其他波就会产生一种往往使它们相互聚拢的力，金属盘越靠近，两者之间的吸引力就越强。1996 年，物理学家首次对这种所谓的卡西米尔效应进行了测定。这是证明真空零点能存在的确凿证据。

其实，绝对零度和绝对至高温度在理论上均可达到。人类正不遗余力地做着相关实验，探索着隐藏在科学深处的奥秘。

逼近技术

和外太空宇宙背景辐射的 3K 温度做比较，实现玻色-爱因斯坦凝聚的温度 170×10^(-9)K 远小于 3K，可知在实验上要实现玻色-爱因斯坦凝聚是非常困难的。要製造出如此极低的温度环境，主要的技术是镭射冷却和蒸发冷却。

温度纪录

由德国、美国、奥地利等国科学家组成的一个国际科研小组在实验室内创造了仅仅比绝对零度高0.5纳开尔文的温度纪录，而此前的纪录是比绝对零度高3纳开。这是人类历史上首次达到绝对零度以上1纳开以内的极端低温。

这个科研小组在美国《科学》杂志上发表论文介绍说，他们是在利用磁阱技术实现铯原子的玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)的实验过程中创造这一纪录的。参与研究的科学家大卫·普裏查德介绍说，将气体冷却到极端接近绝对零度的条件对于精确测量具有重要意义，他们的此次实验成果有助于製造更为精确的原子锺和更为精确地测定重力等。

玻色-爱因斯坦凝聚态是物质的一种奇特的状态，处于这种状态的大量原子的行为像单个粒子一样。这裏的凝聚与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然凝聚到同一状态。要实现物质的该状态一方面需要达到极低的温度，另一方面还要求原子体系处于气态。华裔物理学家朱棣文曾因发明了雷射冷却和磁阱技术製冷法而与另两位科学家分享了1997年的诺贝尔物理学奖。

科学家说，他们希望利用新达到的最低温度发现一些物质的新现象，诸如在此低温下原子在同一物体表面的状态、在限定运动通道区域时的运动状态等。因发现了硷金属原子稀薄气体的玻色-爱因斯坦凝聚这一新的物质状态而获得了2001年诺贝尔物理学奖的德国科学家沃尔夫冈·克特勒评价说，首次达到绝对零度以上1纳开以内的温度是人类历史上的一个裏程碑。

在正温度下，这种逆转是不稳定的，原子会向内坍塌。他们也同时调整势阱雷射场，增强能量将原子稳定在原位。这样的结果是，正如近日发表在《科学》杂志上的文章中所描述的那样，标志着这些气体物质从刚刚高过绝对零度的状态瞬间转变至低于绝对零度数十亿分之一度的水準上。这样一来，气体就实现了从高于绝对零度到低于绝对零度的转变，约在负十亿分之几开氏度。

这项研究已经被发表在很多自然科学杂志上，这是人类在物理学上的重大突破，许多科学家表示这将为发现新的物质--暗物质提供了一条路径。