絕對零度是因為實驗室無法實現，還是自然界原則上也無法達到？

01-06

只回答為什麼我們認為絕對零度不能達到。blockquote 是進階，可略過。

這其實是非常重要的問題，換成比較學術的說法就是

熱力學第三定律又是講的什麼事情呢？為什麼我們有個熱力學第三定律？

熱力學第三定律說絕對零度不能通過有限的步驟達到。這樣說話簡直跟神一樣有沒有。別問為什麼，別說什麼意義，只需要記住就行了！

而實際上，比較容易接受的一種說法是這樣的：絕對零度的時候熵為零。說人話的話，是這樣的：

體系的混亂程度在絕對零度的時候是最小的。

這樣就好理解多了，比如一堆氮氣分子，室溫的時候，分子運動好劇烈啊，是氣體狀態，有孔就鑽，那可是一團遭。降低溫度之後變成液體了，分子運動不是那麼劇烈了，限制在了一定的範圍內，顯得不是那麼混亂了。

呃，其實上面這個例子的描述不準確啊。熵跟體積有關的……氣體和液體狀態的熵計算也完全不同的……

好，關鍵在這裡：如果你認同上面這種說法，我們就可以證明給你看，體系的混亂程度在絕對零度的時候最小，跟絕對零度不能達到是等價的。

我吹牛，這個得用公式，就不證明了。大致的思路是，先說明體系的混亂程度在絕對零度的時候最小，意味著在絕對零度的時候，可以用來做成做功機器的兩個過程變得完全相同，既然重合，那麼越接近零度，用來降低溫度的機器的效率就越低，總之無窮無盡，卻怎麼也辦法達到絕對零度。

具體過程是見我文末的參考文獻的書中的 P230-233 頁的證明。

這段我省掉了 Nernst 定理。這個定理很重要，只是我不知道該如何科普。所以換了熵來講。

（必要的跑題，熟悉的可以不看：）

熱力學第一定律告訴我們能量守恆，第二定律告訴我們有個很厲害的狀態函數叫做熵（特厲害，單單用熵是一個只跟狀態相關的函數就可以解決很多很多問題）。那麼為什麼我們會有這兩個定律呢？

第一定律，大家都知道是經驗得來的，大家總結了很多很多現象，然後總結出能量是守恆的。然後大家有覺得玻璃杯可能自己碎掉，卻從沒有見到碎掉的玻璃杯自己重新組裝起來的，所以一定有個定律限制了事物的發展方向，這是第二定律的想法，這樣順便有個表示混亂度的熵也提出來了。

第一定律和第二定律從熱機的角度看最簡單了，不過可能很多人不知道熱機這東西。其實也不需要知道這是什麼東西，就知道下面的定義就好了。這個機器有個工作效率叫做熱機的效率，被定義成

[ eta = frac{W}{Q} ] 其中 (Q) 是熱機吸收的熱量，而 (W) 是熱機對外做的功。

這樣，第一定律其實是說，我們是不可能讓熱機的效率大於 1 的，為什麼呢？因為如果熱機的效率大於 1 ，那麼也就說，熱機可能是吸收了 10J 的能量，但是卻對外做了 100J 的功。那熱機憑空變出來 90J 的能量么？
而這個效率能不能等於 1 呢？答案是不能。效率為 1 其實是說，我們的機器吸收了 10J 的熱量，對外做了 10J 的功。即使對一個最理想的熱機，這也意味著只吸收熱量卻沒有放出熱量的過程就回到開始的狀態。這樣就有一台機器，可以把吸收來的熱量全部用來對外做功。我們知道功可以全部轉換成熱的，摩擦生熱嘛。這樣我們可以把摩擦生的熱全部收集起來，做功，讓整個世界回復成做功前的狀態。咦？這樣就沒有世界演化的方向性了，碎掉的玻璃杯可以自動重新組成一個完整的玻璃杯了。見所未見。故排除掉這個情況。這就是第二定律了。

（跑題完）

其實熱力學第三定律是個外推的經驗。就是上面講的體系的混亂程度在絕對零度的時候是最小的。我們沒有在絕對零度做過實驗，但是我們可以做一系列實驗來外推。

實際上熱三律是有著很深的量子的根基的，在接近絕對零度的時候，熱運動什麼的已經可以忽略了，量子效應顯著，需要用量子統計來解釋現象的。這個時候談粒子完全靜止什麼的，一般應該講成沒有了熱激發。

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本文主要參考 R. K. Su 的《統計物理學》這本書。

In short,

相關問題：為什麼溫度不能無限下降？另外，溫度能無限上升嗎？

理論上只能無限接近但是不可能達到.

但是,在天朝,一切皆有可能..如下圖

絕對零度是一個理論溫度，在這個溫度下所有的物質包括原子內部的活動都將停止，沒有原子的活動就不可能有能量和熱量，也就不會存在溫度的概念，所以這種狀態本身是不可能存在的，現實中只能趨近於絕對零度但是不可能達到。

如果非要考慮及其極限的情況的話，在黑洞視界附近，會由量子漲落產生虛粒子，並生產負能量。這時候虛粒子進入黑洞視界，就會導致那個區域的負能量沒有人填補，使得那裡的平均能量比真空還低，在這一段時間，（10的不知道負多少秒）可以說那個小的不知道有多小的區域溫度低於絕對零度。之後，空間會從黑洞中吸回能量。一切像什麼也沒發生過一樣。

溫度是內能的描述，而內能是描述粒子運動時的動能。

絕對零度指的是，粒子絕對靜止，不運動。

從現有的理論來說，絕對零度在宇宙中是不存在的，因為「運動是絕對的，靜止是相對的」

其實呢，是有負絕對溫度的。。。負的絕對溫度的定義是激光介質裡面，由於能量泵浦的作用達到的能級粒子數反轉，根據波爾茲曼的熱力學粒子分布，就定義了這麼一個負的溫度，在熱力學裡面，負絕對溫度比所有的正溫度都要熱。不過這個應該是跟CCTV的報道無關了啦，扯遠了。。。

前幾天報道說有團隊做出了低於絕對零度的溫度。我找找看啊

據《自然》雜誌網站1月3日報道，德國物理學家用鉀原子首次造出一種低於絕對零度的量子氣體。

18世紀中期，開爾文男爵威廉·湯姆森定義了絕對溫度，在此規定下沒有物質的溫度能低於絕對零度。氣體的絕對溫度與它所包含粒子的平均能量有關，溫度越高，平均能量越高，而絕對零度是氣體的所有粒子能量都為零的狀態，這是一種理想的理論狀態。到了上世紀50年代，物理學家在研究中遇到了更多反常的物質系統，發現這一理論並不完全正確。

慕尼黑路德維格·馬克西米利安大學物理學家烏爾里奇·施奈德解釋說，從技術上講，人們能從一條溫度曲線上讀出一系列溫度數，但這些數字表示的只是它所含的粒子處於某個能量狀態的概率。通常，大部分粒子的能態處於平均或接近平均水平，只有少數粒子在更高能態上下。理論上，如果這種位置倒轉，使多數粒子處於高能態而少數粒子在低能態，溫度曲線也會反過來，溫度將從正到負，低於絕對零度。2001年諾貝爾物理學獎獲得者沃爾夫岡·克特勒也曾證明，在磁場系統中存在負絕對溫度。

施奈德和同事用鉀原子超冷量子氣體實現了這種負絕對零度。他們用激光和磁場將單個原子保持晶格排列。在正溫度下，原子之間的斥力使晶格結構保持穩定。然後他們迅速改變磁場，使原子變成相互吸引而不是排斥。施奈德說：「這種突然的轉換，使原子還來不及反應，就從它們最穩定的狀態，也就是最低能態突然跳到可能達到的最高能態。就像你正在過山谷，突然發現已在山峰。」

在正溫度下，這種逆轉是不穩定的，原子會向內坍塌。他們也同時調整勢阱激光場，增強能量將原子穩定在原位。這樣一來，氣體就實現了從高於絕對零度到低於絕對零度的轉變，約在負十億分之幾開氏度。

克特勒現任美國麻省理工大學物理教授，他稱此最新成果為一項「實驗的絕技」。在實驗室里，反常高能態在正溫度下是很難產生的，而在負絕對溫度下卻會變得穩定——「就像你能把一個金字塔倒過來穩穩的放著，而不必擔心它會倒。」克特勒指出，該技術使人們能詳細研究這些反常高能態，「也可能成為創造新物質形式的一條途徑。」

德國科隆大學理論物理學家阿希姆·羅施說，如果真能造出這些物質系統，它們會表現出奇特的行為。根據和他的同事計算，正常情況下原子云受重力影響會被向下拉，如果一部分雲處於負絕對溫度，某些原子就會向上運動，明顯違背重力作用。

負絕對溫度氣體還能模擬「暗能量」。暗能量是推動宇宙加速膨脹、抵抗萬有引力內向拉力的力量。施奈德指出，在他們生成的氣體中，相互吸引的原子也有向內坍塌趨勢，但負絕對溫度卻能遏制它們向內運動而保持穩定。這種宇宙中普遍存在的奇特現象如今也能在實驗室看到，值得宇宙學家進一步研究。

才發現回答偏了。如果這個報道屬實的話，應該是絕對零度可以達到的。當然需要條件。

It is impossible reduce the temperature of any systems to absolute zero in a finite number of steps.

The Laws of Thermodynamics

1. There is a game.

2. You can"t win.

3. You must lose.

4. You can"t quit.

溫度是描述微觀粒子熱運動程度的物理量。絕對零度對應著微觀粒子動能為零，是一個理論下限，只能無限逼近。