为什么绝对零度-273.15℃是温度下限,随着认知会更低吗?

我们都知道,绝对零度是零下273.15摄氏度。但不知道有木有想过这个问题,为什么绝对零度是这么一个温度?难道不可能出现比绝对零度更低的温度了吗?或者说,有没有可能绝对零度随着人类的认知水平的提升,也会发生变化?

温度

要想搞清楚这个问题,我们就得先搞清楚“温度到底是什么?”。很早以前,关于温度的问题,科学家提出了许多的假说,比如:燃素说,热质说。

尤其是热质说还一度是非常主流的科学理论,有一些热力学定律就是基于热质说提出来的。当然,后来热质说也被否定了。

如今,对于“温度”的定义其实要远比我们想象中的复杂。不过,这并不妨碍我们理解温度。我们可以从经典物理学的视角来理解这个问题。在经典物理学中,温度的微观解释就是分子热运动的剧烈程度。

那这句话是什么意思呢?

我们都知道,万物都是有粒子构成的。但是这些粒子实际上并不是整整齐齐地排着队,而是杂乱无章的。我们可以来举个例子,构成物质的原子,并不是像学生们在上间操时那样拍好阵列的,而更像是在自由活动时间,或者下课时间在操场上乱跑的状态。

这也就带来了一个问题,我们该如何描述它,或者说它和宏观世界有什么联系?

科学家发现,当这些粒子整体的动能很大时,温度就高;整体的动能很小时,温度就低。于是,我们可以利用分子的平均动能来描述温度。

分子的平均动能越大,温度就越高,分子的平均动能越小,温度就越低。

绝对零度

那知道温度的本质,我们再来看看绝对零度到底是什么?

其实这个问题也很容易,既然温度和分子的平均动能有关。那就意味着,分子的平均动能为零时,就是最低温度。实际上,关于绝对零度的定义也确实如此,唯一不同的是,绝对零度指的是在量子力学框架下的平均动能最低点。

但是这里其实要多补充一点。很多人会觉得绝对零度对应的微观世界就是粒子们都站那不动了。实际上,并不是如此,粒子还是要动的,只是在小范围的振动。而且这个时候的粒子还符合量子力学的基本原理,也就是大名鼎鼎的不确定性原理。那什么是不确定性原理呢?

上世纪20年代,物理学家海森堡就一直在思考量子力学的相关问题。后来,他摒弃了轨道,能级等概念,提出了不确定性原理。他发现,我们没有办法同时确定粒子的位置信息和动量信息,一旦有一项测得准了,另外一项就很难测准,因此,这个理论也被称为测不准原理。

如果微观粒子完全不动了,那就不符合量子力学的基本理论,这是因为处于这种状态,我们就可以同时测准位置信息和动量信息了。

所以,绝对零度时,粒子并不非是完全不动的,而是在小范围内振动。

绝对零度变化吗?

实际上,在理论上,是允许低于绝对零度的,这里说的理论上,仅仅指的是数学上的表述。但实际上是不可能发生的。而且根据热力学定律,绝对零度是达不到的。其实这个问题也好理解,我们要给一个物体降温,一般是拿一个更低温度的东西来降温。这和抽真空也很小,说白了就是拿一个更空的来抽。

那问题来了,如果要降到绝对零度,这意味着就得拿一个比绝对零度更低的温度来降温,可明明绝对零度已经是最低温度了,上哪能找到更低的温度来降温?

所以,你发现,你没办法用这种手段来实现低于绝对零度。那真的就达不到绝对零度了吗?

实际上,科学家是不信邪的,科学家并不会被一个热力学定律给吓唬到,毕竟定律就是用来打破的。他们其实做了很多尝试,目前最主流的办法是利用激光,你可以把激光想象成筷子,利用多束激光,就可以是现在原子层面上,让原子尽可能地静止,就好像用筷子夹住了一样。利用这个办法,科学家做到了十分接近于绝对零度,但目前来看,还没有到达零度。