為什麼達不到絕對零度？

上海科技報科普問答主持人：主任記者 吳苡婷

絕對零度就是-273.15℃，也就是0開爾文，是自然界中物質的最小溫度。我們知道，溫度是物質的冷熱程度，也就是熱量，熱量在物質內部的微觀世界表現為微觀粒子的運動程度。物體內部所有粒子運動的平均動能的宏觀反應就是溫度。

舉一個簡單的例子:在標準大氣壓下，當水的溫度低於0℃時，其內部水分子由於溫度太低，運動程度小，分子間距離也就近，所以水呈現為冰的狀態，當溫度高於0℃時，由於溫度的升高，水分子的運動程度也變得活躍，分子間的間距也增大，宏觀表現為液態水，當溫度繼續提升，水分子運動程度越來越劇烈，個別水分子脫離整個水的集體飛向外界，這就是蒸發現象，當溫度達到100℃時，水分子的運動狀態變得極為劇烈，分子間的距離也變得很大，宏觀表現為水蒸氣。

所以溫度越高，粒子的運動程度越劇烈，溫度越低，粒子的運動程度就越微弱。為什麼絕對零度達不到？量子力學限制我們達不到絕對零度。量子力學不允許絕對靜止的粒子存在。量子力學裡有一個著名的原理：測不準原理，測不準原理規定了我們永遠無法準確測量粒子的運動狀態和動量。如果運動的狀態測得越准，則動量的誤差測量會很大，反之，動量測得越准，則運動狀態的測量誤差就越大。當物質達到絕對零度，其內部原子會靜止不動。這個時候我們可以說某個原子的動能為0，運動狀態也可知，就是靜止。也就是說當物質達到絕對零度，我們就能準確知道微觀粒子的運動狀態和動量，然而根據測不準原理，我們無法準確得知粒子的運動狀態和動量，所以反向推導，絕對零度無法達到。

1848年,英國科學家威廉·汽姆遜·開爾文勛爵（1824～1907）建立了一種新的溫度標度,稱為絕對溫標,它的量度單位稱為開爾文（K）.這種標度的分度距離同攝氏溫標的分度距離相同.它的零度即可能的最低溫度,相當於攝氏零下273度（精確數為-273.15℃）,稱為絕對零度.因此,要算出絕對溫度只需在攝氏溫度上再加273即可.那時,人們認為溫度永遠不會接近於0K,但今天,科學家卻已經非常接近這一極限了. 物體的溫度實際上就是原子在物體內部的運動.當我們感到一個物體比較熱的時候,就意味著它的原子在快速動動：當我們感到一個物體比較冷的時候,則意味著其內部的原子運動速度較慢.我們的身體是通過熱或冷來感覺這種運動的,而物理學家則是絕對溫標或稱開爾文溫標來測量溫度的. 　　按照這種溫標測量溫度,絕對溫度零度（0K）相當於攝氏零下273.15度（-273.15℃）被稱為「絕對零度」,是自然界中可能的最低溫度.在絕對零度下,原子的運動完全停止了,並且從理論上講,氣體的體積應當是零.由此,人們就會明白為什麼溫度不可能降到這個標度之下,為什麼事實上甚至也不可能達到這個標度,而只能接近它. 　　自然界最冷的地方不是冬季的南極,而是在星際空間的深處,那裡的溫度是絕對溫度3度（3K）,即只比絕對零度高3度. 　　這個「熱度」因為實際上我們談到的溫度總是在絕對零度之上）是作為宇宙起源的大爆炸留存至今的熱度,事實上,這是證明大爆炸理論最顯著有效的證據之一. 　　在實驗室中人們可以做得更好,能進一步地接近於絕對零度,從上個世紀開始,人們就已經製成了能達到3K的製冷系統,並且在10多年前,在實驗室里達到的最低溫度已是絕對零度之上1／4度了,後來在1995年,科羅拉多大學和美國國家標準研究所的兩位物理學家愛里克·科內爾和卡爾威曼成功地使一些銣原子達到了令人難以置信的溫度,即達到了絕對零度之上的十億分之二十度（2×10-8K）.他們利用激光束和「磁陷阱」系統使原子的運動變慢,我們由此可以看到,熱度實際上就是物質的原子運動.非常低的溫度是可以達不到的,而且還要以尋求「阻止」每一單個原子運動,就像打撞球一樣,要使一個球停住就要用另一個球去打它.這了弄明白這個道理,只要想一想下面這個事實就夠了.在常溫下,氣體的原子以每小時1600公里的速度運動著,而在3K的溫度下則是以每小時1米的速度運動著,而在20nK（2×10-8K）的情況下,原子運動的速度就慢得難以測量了.在20nK下還可以發現物質呈現的新狀態,這在70年前就被愛因斯坦和印度物理學家玻色（1894～1974）預見了.　　事實上,在這樣的非常溫度下,物質呈現的既液體狀態,也不是固體狀態,更不是氣體狀態,而是聚集成唯一的「超原子」,它表現為一個單一的實體.