絕對零度如果達到會怎麼樣?人類現在能做到的最低溫度是多少呢?


貌似之前的很多答案都在爭論絕對零度是否可以達到這個問題,那我也從這兒開始吧。

首先,溫度的定義是延續了經典物理的概念(更確切的說是經典的熱力學與統計物理)。溫度定義為系統中粒子(包括分子,原子,電子等等)熱運動的大小,更確切的說是系統中粒子動能的大小。直接的表現形式就是能量均分定理:系統中每個自由度都對應1/2kB*T (kB時波耳茲曼常數,T是絕對溫標下的溫度,單位時開爾文K)的能量。比如說單個粒子的熱運動,因為有xyz三個方向上的運動可能性,就有3/2kB*T的能量(如果是很多個粒子組成的系統,還要考慮粒子之間的勢能等等)。這樣看來,絕對零度就是指系統中所有粒子的動能均為零時所對應的溫度了。那我們可以達到絕對零度嗎?答案是否定的。因為在極低溫情況下,粒子的量子力學行為就會起作用。不確定原理告訴我們粒子的位置和動量(對應於動能)不能同時確定。這個時候我們可以簡單修正一下絕對零度定義為粒子動能低到量子力學的最低點時對應的溫度。即使是這個溫度,我們也是無法達到的。因為任何空間或系統,總是存在各種各樣的能量(勢能或是其他形式的能量)和熱量,他們相互轉化而且永不消逝。除非某個系統或空間從一開始就沒有任何形式的能量和熱量。這樣的系統顯然是不存在的。所以說絕對零度永遠不可以達到。嚴格的理論證明可以參考熱力學和統計物理的教材,這裡就不展開說了。

雖然絕對零度不能達到,科學家還是可以通過技術手段去接近這個溫度點。主要技術手段有激光製冷和傳統的蒸發製冷。先說第一種激光製冷:既然溫度是粒子運動快慢的反應,那麼當粒子運動速度接近為零的時候,溫度就對應著最低。基於這種樸素的想法,激光冷原子技術應運而生。用多束激光去反方向轟擊單個粒子使其減速為零(當然,只能接近零),這樣整個系統的溫度就接近絕對零度了(這兒應該是一種等價效果,並不是真的降低到那個溫度,歡迎相關人員糾正)。通過激光冷原子技術(諾貝爾獎),人們已經觀察到了理論中預言的玻色-愛英斯坦凝聚(BEC)現象。這是一種玻色子在宏觀尺度上的凝聚現象,當前的一大應用就是高能激光器。題注可以想像一下大量的粒子在同時從激發態躍遷到基態所釋放出來的能量。當然,激光冷原子技術已經被用來做其他方面的研究了,比如模擬真實材料的低溫性質,特別是做一些理論模型的驗證工作。國內這一塊有中科大和山西大學的量子光學所等其他組。

第二種就是基於傳統的蒸發製冷技術的改進。當物質發生相變的時候,總是伴隨著能量的釋放或吸收。比如說當水結冰就會釋放能量,反過來冰融化成水就會吸收熱量,這也是雪天雪融化的時候天氣比較冷的一個原因。同理,當液體變為氣體的時候就會吸收熱量。我們可以利用這個原理來製造低溫環境。比如冰箱。這種技術強烈的依賴與製冷工質。生活中的冰箱可以得到零10-20攝氏度的低溫,在低的溫度製冷工質就會發生結冰(轉變為固體)現象,製冷循環通道就會被堵住而停止工作。這也是在北方,冰箱需要在溫暖的室內才能工作,而在室外久停止工作的原因。而在實驗室中,常用的製冷工質有液氮和液氦。液氮很便宜,通過壓縮空氣就可以獲得。氮氣的液化溫度為77K(大約零下190攝氏度)。所以液氮已經可以提供一個大約77K到300K(室溫)的低溫環境了。在利用液氦揮發過程,估計可以到30-50K的低溫了。相比液氮而言,液氦是比較昂貴的。(答主所在的組,一罐液氦大概數千歐元的樣子,具體價格不詳,這一罐液氦僅僅維持儀器的低溫3-4天)液氦只能通過全球有限的幾個礦場來獲取,所以實驗室中都有循環回收系統,要不然玩低溫的組都會很快破產的。因為氦氣的液化溫度為4.2K,再加上揮發技術,可以提供2-300K的低溫環境。在這個溫區已經有很多有意思的事情發生了。比如超導現象等。還有一種氦的同位素He3(一般使用的大自然中的氦元素以He4為主),它的液化溫度更低,大約1K左右,這樣使用He3作為工質,我們可以達到0.3-0.4K的低溫。在這麼低的溫度,凝聚態物理中的很多現象的研究就可以開展了。

如果想到更低的溫度,蒸發製冷工質這種技術手段就很難實現了。這個時候需要新的技術。當前比較成熟而且大規模應用的是一種被稱為He3-He4稀釋(dilution)制冷機。這是利用了He3在He4液體中的擴散運動吸收熱量的機理來製冷的。這種技術需要He3-He4混合液體處於相分離溫區,大概在10-850mK的溫區內。所以He3-He4 dilution 只能工作在1K一下。它所能達到的最低溫度大約在10mK左右。當然,在實際工作中,由於外界的熱輻射無法完全屏蔽,液氦的重新注入過程總是帶入一定的熱量,所以實驗室中能達到40mK已經是極限了。現在凝聚態物理中研究的比較熱的一個方向量子自旋液體就主要是用這種技術實現低溫的。此外還有量子計算機,因為量子效應只有在極低溫才起到主導作用,(在高溫段,熱擾動淹沒了量子效應)所以現在的量子計算機也都是使用He3-He4 dilution來實現低溫的。基本上,凝聚態物理研究的絕大部分現象都會在這個溫區完成,繼續降溫不會有太大的變化。然而,人類總是想著不斷挑戰著極限。更低的溫度需要一種被稱為磁製冷的技術。經過前期數級製冷方法的降溫,在dilution工作的最低溫,給研究對象加一個磁場,在瞬間撤去磁場的過程中,因為退磁過程也常常伴隨著吸熱,這樣就可以到1mK以下的溫度,我知道的有些組可以達到~10nK的極低溫,科學家在這個溫區已經能夠研究原子核凍結的效應了。具體我也不清楚,只是聽同事們說起過。磁製冷技術的民用也是當前凝聚態物理的一個研究熱點。說不定過個十來年,我們就可以用磁製冷的電冰箱了,這樣再也不用擔心氟利昂污染大氣破壞臭氧層了。

小結一下,通過不同的技術手段,科學家能實現從室溫(300K)到最低溫~10nK的量級的溫區。

回到題主問題的前半部分。首先絕對零度不可達到,實驗室最低溫在nK量級。大膽的預測,量子效應應該會統治整個體系吧。在人們征服低溫的過程中發現了很多有意思的事情。最直觀的就是各種氣體的液化和固化。此外還有低溫超導現象,He3的超流現象(就是液氦反重力的沿著杯壁向上流動)。磁有序現象。因為很多原子或離子都帶有磁性,在構成晶體的時候,由於高溫的熱擾動,使得這些磁矩像氣體一樣隨機排列。當溫度降低到某個特定值的時候,這些磁矩就會像原子組成晶體一樣有序的排列起來。大部分磁性材料的磁有序都是在低於室溫的時候出現的。所以,找到磁性材料的磁有序溫度也是一個研究點。但即使是在mK的溫區內,也不是所有的磁性材料都會出現磁有序。當前的一個研究熱點就是量子自旋液體。在極低溫,由於量子效應明顯,高溫段起主導作用的熱擾動被量子擾動所代替。這種量子擾動就會阻礙磁性材料有序。當然具體的機理還是比較複雜的,這兒就不展開說了。這些量子自旋液體表現出很多我們在傳統理論中無法解釋的想像。而且它又有很強的長程的量子糾纏特性。近些年發現了很多准粒子(集體激發)具有在粒子物理(高能物理)中預言的基本粒子的性質。人們就用那些粒子的命名這些准粒子。比如磁單極子,Wely 費米子等。似乎可以用凝聚態物理的研究體系來模擬我們這個宇宙。或者,我們這個宇宙就是一些基本粒子的激發吧。

就先到這兒吧。因為本人凝聚態物理磁學相關,主要回答了自己所知道的部分。希望能解答題主的困惑,才疏學淺,歡迎各位批評指正。


高票答案有道理,但是也有邏輯上的錯誤,也就是說,他的理論和結果是正確的,但是假設和結論不存在因果關係。

假設人類達到絕對零度以後就可以製造恆定在絕對零度的熱源,那麼卡諾熱機也是造不出來的,只要熱機的運行時間還是有限的。

卡諾熱機的效率是人類熱機的上限,即使卡諾熱機效率到達了百分之百,人類依舊不可能造出效率百分之百(能將單一熱源的熱全部轉化為功)的熱機,即第二類永動機。

我的意思就是,人類能不能達到絕對零度和能不能造出永動機沒有關係。即使絕對零度能夠達到人類也造不出第二類永動機。


熱力學溫標的定義是:T equiv left(  frac{partial U}{partial S} 
ight) _{V,N}, 溫度等於內能隨熵變化的速率(在體積與粒子數固定時)

在絕對0度時,顯然,能量不隨熵的改變而改變。而dU = TdS+PdV+mu dN,既然在溫度的定義下V,N都是常數,那麼U必然也是一個常數。意思就是說,如果存在一個絕對0度的系統,那它的內能無論如何都無法改變

相應的,如果存在一個狀態無論如何都無法改變,那麼反過來,這種狀態也無論如何不可能進入。你就想,你有一塊橡皮泥,假設該橡皮泥是可無限延伸的,你可以把他按到任意扁。但是這塊橡皮泥是不會消失的,你按的再扁也絕對不可能把橡皮泥的厚度按到0,正如你無法從0變出一塊橡皮泥來。雖然我們知道,你一直按它的話,橡皮泥會趨近於無限扁,無限大,但是0這個極限是永遠達不到的。絕對0度是一個道理,你可以無限趨近,但永遠達不到。

至於絕對0度會是什麼樣的,因為永遠達不到,所以物質的狀態不會出現什麼質變的情況。你讓溫度無限趨於0也只是量變的問題。

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但是在低溫下有一個質變點:T_C, critical temperature,或者叫quantum critical temperature。(維基上中文翻譯叫「臨界溫度」)。這是人類可以觀察到的低溫下的相變點,也是經典物態(固,液,氣)與量子態的相變點,(就像熔點,沸點一樣)。低於這個溫度就有可能發生超導(費米氣),超流(波色氣)等著名的現象。但是這個溫度跟物質結構,壓強,磁場等都有關係,所以也不一定接近絕對0度,比如說高溫超導


被我吐槽的答案已經修改了........

吐槽結束

首先,關於絕對零度,至少在目前的理論框架內,絕對零度不可到達,參見熱力學第三定律。而且目前的實際操作中也未曾達到絕對零度,人類所探索到的宇宙中的場景,也沒發現絕對零度。

其次,即便真的有可能達到,那一定用的不是熱傳導的方法,因為那樣需要一個比絕對零度更低的低溫熱源。除熱傳導外的製冷方法很多,比如激光製冷,我不了解,不敢多說。

最後,如果哪天人類真的達到了絕對零度,會怎樣...不好說,畢竟是個違背當前物理定律的事情。可以舉幾個例子,借著最高贊答案的思路。(手動滑稽)

金屬電子云呈現完美的階躍分布,低於的費米溫度的量子態,電子數密度為1,高於此的為0。出於泡利原理,此時的電子云能量仍然很高,絕不是零,其它費米子系統類似。

玻色子會完美凝聚在最低能級上。


卡諾熱機是一種從高溫源吸收熱量,向低溫源排放熱量,同時做功的機器。

理想卡諾熱機的循環效率是:

eta =1-frac{T1}{T2}

其中T1是低溫源的溫度,T2是高溫源的溫度。

如果絕對零度能達到,那麼T1=0,卡諾熱機的循環效率為1.

也就是說,如果有絕對零度作為低溫源,那麼卡諾熱機可以把吸收的全部熱量都轉化為對外做功,也就是說,實現了第二類永動機


如果能達到,會連拿5屆諾貝爾獎,首先從物理開始,可能文學獎都能一併拿下。

當然,還要包括囯家科技進步一等獎和省市裡區里街道里的各類獎項。985211雙一流某高校榮譽XX稱號。


先說結論:物質達到絕對零度(0 K,合 -273.15 ℃)是不可能實現的。因此,前半句假設不成立!

下面我們從量子力學角度來解釋為何絕對零度不可能達到。

如果絕對零度可以達到的話,那麼一切物質的運動就都停止了。此時,一切物質的位置都是確定的,同時動量都等於零。然而,根據海森堡不確定性原理,我們是沒有辦法同時知道某個粒子的位置和動量的。並且Delta x cdot Delta p geq {frac{hbar}{2}}是一個不為零的量,於是動量和位置的不確定度不可能同時為 0。由此產生了矛盾!

可見,20 世紀創立的量子力學完全否定了絕對零度存在的可能!熱力學第三定律是普適的!


2015年,麻省理工學院在實驗室實現了500nK的溫度,即比絕對零度只高了0.0000005°。

如果達到絕對零度,所有微觀粒子將不再動了,即動量為0,根據量子力學不確定性原理,所有微觀粒子都將無限彌散開來,這樣就不會有任何物質存在。

---------------------------補充和糾錯--------------------------------------------------------

沒想到那麼多贊。沒來得及

關於500nK,見 MIT team creates ultracold molecules

絕對零度達不到,這需要做無窮多的功。

很多人指出來零點運動,不會出現動量是0的情況。出現的情況就是 @葉曉度 的回答。所以,我說物質不可以存在,這是錯的。

但是對於自由粒子,在絕對零度,動量是0,位置不確定度為無窮,即粒子無限彌散。


你不如問如何證明(或推翻)熱力學第三定律


@WXM 說了我想說的... 看他的好了,我的請無視...

-----以下為原回答------

剛開始看到這個問題時,我不願回答。當然這並不是說我物理有多好或者多差:事實上這個問題可以觀察的角度太多了。 最高票的 @獨魚僅一 確實提供了一個角度,不過並不是我覺得最根本的原因。

好吧我承認沒有學過量子力學,剛才寫了好些然後發現沒有考慮量子效應,瞬間打臉。

好吧,姑且看看。

後來想到用分子動能定義溫度。費米子不可能靜止,所以溫度不為0。然後想到了零點能。

總之,回答了才發現,這個問題是多麼難呢... 算了,多一個零贊回答也無所謂...

原答案:絕對零度時考慮到T=dQ/dS,故而dQ=0而dS&<&>0。不太可能。


假如一個東西,降溫到了絕對零度,那首先肯定任意一個原子上的電子都不動了,因為原子核很小,大部分空間都是被亂跑的電子占著,現在電子不動了,這個物體肯定坍塌了。 比如一個桃子,可能變成了米粒大小的袖珍桃子。


首先實名反對那個說絕對零度和不確定原理衝突的。這是對絕對零度和不確定原理的雙誤解。

其次,絕對零度確實不可達。第三定律說,絕對零度不可能通過有限步驟達到。所以你的前提錯誤。


需要問一問卡妙和冰河,他們應該很清楚這個問題。


作用力是一種束縛,當作用力無限小,這種情況是熱寂,需要宇宙無限膨脹。或者作用力無限大,大到不允許有任何的振動,這也許就是宇宙誕生時的奇點狀態。而這都將導致宇宙是不存在的,而我們人類能出現的時空,一定是不允許有絕對零度的時空。


用不著談及量子力學,在熱力學範圍內絕對零度就是不可達到的,


這個問題就像在問「如果我昨天死了會怎麼樣」

是沒有任何意義的


絕對零度是永遠不可能實現的,這個和物體永遠到達不了光速是一個道理。

首先,我們假設它成立,那麼絕對零度的溫度使分子無法運動(凍住,不許走-來自某先鋒遊戲),這個分子的動量就為0

而 我們是無法確定一個物體的動量,那麼,這個就明顯不成立

2017/10/21


以一個高中過來人的視角告訴你目前的絕對零度是達不到的,但是已經很接近了。

高中物理知識告訴我們這個溫度放在地球上要想達到有幾個手段,熱傳導,熱輻射,對流。其中傳導的一個條件是高溫向低溫傳遞,那麼好,絕對零度是最低溫。這個手段只能近似接近,其他不了解不評論。


我記得有「鑽石星塵」和「曙光女神之寬恕」,著不是絕對零度呀,,,


這個問題等同於「如果物體的運動速度達到光速,世界會怎樣」的問題,可以暢想,但得在現有的物理框架內展開


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