绝对零度为什么不可能发生

原文标题：《0K，不 OK》

我们的宇宙中充斥着各种不能打破的基本界限。比如像其中最有名的一条：有质量的物质的速度不能超过光速，差不多是 3×10⁸ 米 / 秒 。当然还不止这些，普朗克长度是最小可能的长度，数值是 1.616 x10^-35 米 ，普朗克时间是最小可能的时间：10^-44 秒 ；而可以存在的最冷的温度是绝对零"度"（开尔文，温度的单位），也就是 -273.15℃（摄氏度）、或是 -459.67℉（华氏度）。-273℃ 比起前面那些数字来说看起来不算很小，难道偌大的宇宙中就不存在某个小角落的地方低于这个温度了吗？

在可知宇宙中，最低的温度就存在于这个地球上的某个实验室中；而且就像其他基本界限一样，达到 0K 的温度，在理论上 -- 而不是技术上，不可能发生。目前，我们可以不断降低所能达到的最低温度、到十亿分之一开尔文甚至更小，但却永远不能达到 0K。

解释原因前，我们先说说什么是温度。

冷或热

当我们通过触摸感觉到冷或者热的时候，微观层面发生了什么呢？

所有的分子、原子、质子或者电子都有一个本征振动，这个本征振动也叫作动能，可以辐射热。粒子运动得越快，物质也就越温暖。当你滴一滴墨水在一壶水中，墨水均匀地扩散开来，你便会发现这壶水也承载着如此多分子的运动。振动得快的粒子相比振动较慢的粒子来说，在你的皮肤上会撞击得更厉害。理论上，绝对零度是一个所有运动、也就是所有热，全部都不存在的状态。

但是量子力学否定了这种情况存在的可能。

除了温度外，粒子的动能还决定了物质的性质。相比于液体来说，固体中的粒子振动更轻微，但它们仍然是振动的状态 -- 即使是在冰凉的铁块中，单个的铁原子也是在它的固定结构内振动的。

加热冰块时，水中的分子会获得能量，并从晶体结构中脱离出来（成为液体）；继续加热液体水时，水分子可以获得更多的动能逃逸出来成为蒸汽（气体）；当电子脱离原子，物质便会离化成等离子体，这种状态可以在宇宙星体中发现。

此外，物质还有第五种状态 -- 玻色-爱因斯坦凝聚态，由一团降温到非常接近零度而几乎不运动的原子组成；这时，这些原子达到了相同的能量状态从而表现得像一个原子。当所有原子到同一个量子态时，相互之间不可分辨，它们便会遵循玻色-爱因斯坦统计规律，适用于包括光子在内的不可分辨的粒子。在这种状态下，我们会观测到超流、超导、无电阻这类令人惊奇的现象。

关于玻色-爱因斯坦凝聚态有两个特点：

1.这是一个目前只存在于实验室中物质的状态。

2.获得这种状态的物质花费了科学家数十年的时间，同时也让三位物理学家获得了 2001 年的诺贝尔奖。反直觉的是，物理学家是通过多个方向的激光来捕获一团原子、使其冷却下来的。

超导

将原子冷却至一个临界值以下时会发生一个现象 -- 超导。比如当温度低于 -196℃ 时，某些金属的电阻会降低为零：电子会在介质中流动形成在一个循环中没有衰减的电流。

通常情况下，电子形成电流后往往受到阻碍。导电介质的内部原子排列成晶格，会进行无规则的热运动；晶格中的原子释放电子给电流后带正电，吸引电子从旁边翻滚而过。就像平面上摩擦力对滑块的作用一样，这样的阻碍（表现为电阻）会损失电流的能量，当温度降低时，导体的电阻会明显降低。

但是当超导发生时，现象会完全不同：当某材料达到一定的冷度时，它的电阻会立即完全消失。电流中的电子为了立刻冲到终点，它们会结合成对 -- 当一个电子从晶格中流过时，会引起周围带正电的原子向其弯曲，反过来将吸引邻近的电子与之结合，两个电子紧锁在一起后，便在晶格中肆意穿梭，不会损失能量。这样的电子对只能在超导临界温度以下的时候形成，一旦超过这个温度，热量就足以将它们分开。

普通的超导体只能工作在极低的温度下，需要非常昂贵的液氦来实现。超导一般会在非常复杂和昂贵的设备上应用，比如像医用核磁共振成像（MRI）中。但什么时候、是否能走进我们的日常生活却很难说。埃隆・马斯克的超级运输装置 hyperloop 中就将会应用到两块超导磁铁。

1980 年代，科学家发现某些特殊的陶瓷会在很高的温度就可以转变成超导状态，只需要再前进小小的一步，这个技术就可以变得非常有用。新的超导体的工作温度可以高达 -135℃ ，虽然还是很低，但是可以利用更便宜、易获得的液氮实现。当然，室温下超导仍是科学家追求的终极目标。

但即使是在超导或是玻色-爱因斯坦凝聚态下，原子依然在缓慢运动。理论上，如果我们继续给物质降温，会存在一个原子不再振动的点，这个点的温度值不同于熔点或是沸点，它对于所有的材料是一致的，那就是 0K 。也就是说，对于宇宙中所有的元素，化合物、或是分子，给它们建立一个温度-振动相关的表格，对应于 100%、75%、50%、25% 等等只要是 0 以上的振动，不同材料的温度都是不同的；但是 0 振动对于所有物质都是一样的，它们有共同的定义 -- 0 开尔文，我们不可能达到的状态。

实际上，这种极限状态（玻色爱因斯坦凝聚态）的振动还会辐射出红外波。红外波来源于热辐射，所以所有温度不为零的物体都会辐射出红外波，包括我们觉得已经很冷的冰块，也会产生红外辐射；温度没有高到产生可见光程度的物体，都在进行着红外辐射。物体温度越高，辐射的红外波越多 -- 这就是夜视仪的原理，因为红外辐射是我们的"本征光"-- 除非它的温度是 0K。

宇宙中的所有物质都在辐射着能量，或多、或少，但一定会存在，这源于所有基本粒子的振动。高温即高振动频率，低温即低振动频率，阻止这样的振动是不可能的。

在我们了解为什么不能使粒子停止振动前，我们需要区分温度和热能之间的一个重要的区别。

你有没有疑惑过，为什么把手放入 200℃的炉子里的伤害相比于放入 100℃沸水中的温度要小？这是因为即使炉子里的温度很高，但热能却比沸水的要低。物体的热能除了与温度有关外，还与包含的粒子数量和密度有关，炉子中单个粒子相比于沸水中具有更高的能量，但每秒撞击你皮肤的水分子数量却远大于炉子中的粒子，也就携带了更高的能量。温度表现的是分子的平均动能，而热能反应了物质所有粒子动能的总和，所以一座冰山比一杯咖啡具有的热能更高。

达到绝对零度

我们现在知道了，热不过是一些原子和分子本征振动的结果，这意味着其实"冷"不算是一个物质的性质，只是反映了物质的热比较少而已。

我们可以通过对一个封闭的系统（体积和压强不变）增加能量来使其温度升高，只要我们有充足的能量就可以一直如此。理论上温度不存在上限。反过来，当我们需要给一个系统降温时，我们就需要从中"拿走"能量，直到某点系统没有剩余能量。这一点就是绝对零度点。

热力学第三定律

如何取走物体的热量呢？最简单的方式是在旁边放一个更冷的物体。热力学第三定律说明，热量总是从温度更高的物体流向温度更低的物体。举个例子，厨房的台面上放置着相对更热的平底锅，那么平底锅就会加热台面，而不是台面加热平底锅。热量从不会流向更热的物体 -- 除非我们使用能量来完成这一过程。这就是冰箱的功能。冰箱内的空气要比食物更冷来从中获得能量，当运动得较快的食物粒子撞击空气中较慢的粒子时，它们之间交换了一些动量和能量，食物粒子的运动会减慢变凉而空气粒子会运动更快而变热，空气的热会在冰箱背面释放，这也是为什么冰箱背面通常是烫的，这些热量部分来源于你的食物。

但当我们想用这个方式把物体的温度降至最低时，问题就出现了，如果没有更冷的东西了怎么办呢？宇宙中不存在没有运动和热能的地方，因为它总会从别处吸收热量。如果某纯净物质的每一个原子都完全保持在它所在的晶体结构上，那么它可以达到理论上的绝对零度，此时其熵为零。

熵的定义之一，是将其描述为物质中互相拥挤的原子和分子可能排布的数量，或是说混乱程度（randomness）。由于物质这样随机和不可预测的内在性质，能量的转化并不是完全有效的，熵决定了一部分能量不能"有用"。不过在绝对冷时，分子会停止随机振动，能量的流向会消失，也就不会有相应激发的分子。热力学第三定律的关键在于，当一个完美、纯净的晶体的温度降低为零时，其熵也就随之为零。一个几近稳定、惰性的物质的混乱度也会消退。

但量子力学不允许混乱度或是熵为零 -- 但可以极其接近零，比如超导状态下的原子的熵。

除了热量传递这种方式，温度也可以通过压强和压强控制：提高压强和降低体积都可以使温度升高。我们先假设已经有降温至 1K 的氦气了。除了寻找温度更低的介质来抽走能量，我们还可以通过使其膨胀来降温。这个过程正发生在可知宇宙中最冷的地方 -- 旋镖星云（Boomerang Nebula），这个星云的温度是 1K 。星云中的气体通过极快的速度解释了为何其变得如此之冷。

最近，MIT 和 CERN 实验室正在尝试利用我们前面提到过的激光来将纳米尺度的物体降温到最低，此时物质是以玻色爱因斯坦凝聚状态存在的。这可能是整个地球甚至是可知宇宙中最低的温度 -- 零上十亿分之一开尔文。根据量子力学理论，将其降为 0K 需要无穷多的能量来完成。

绝对零度或是-273.15℃是所有粒子的所有本征振动停止的温度。

海森堡不确定性原理说明：一个物体的位置和动量不能同时被精确确定，即使理论上也不可以。但当一个粒子停止运动时，我们便会知道其准确的位置和状态，这是不被量子力学原理所允许的，同时反过来，这也证明了绝对零度不可能被实现。

原文链接：

https://rashmi-singh1789.medium.com/the-one-about-absolute-zero-30f1c1f78318

本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：The Basic of Everything，翻译：zhenni，审校：Dannis