題:
為什麼絕對零不能達到?
paracetamol
2016-10-13 23:04:41 UTC
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我們在課堂上處理的是《熱力學第三定律》 ,我的老師提到了一些我們發現非常著迷的東西:

從物理上講,不可能達到開爾文(em)的溫度為零(絕對零)。

當我們按他的身後的 rationale 時,他要求我們看一下查爾斯氣體定律的圖形:

enter image description here

他的觀點是,當我們將圖形外推到-273.15攝氏度(即開爾文為零)時,體積會下降一直到;和“ 因為沒有任何物質可以佔據零體積('物質'是具有質量並佔據空間的東西),從查爾斯定律的圖中可以很明顯地看出來不可能達到零開爾文的溫度”。

但是,其他人給我一個不同的解釋:“要將人體溫度降低到零開爾文,就意味著要去除所有與身體相關的能量。現在,由於能量始終與質量相關,因此如果除去所有能量,將不會剩下任何質量。因此,不可能達到絕對零。”

誰是正確的人?


編輯1 :@ Loong前段時間提出了一個值得注意的觀點:

(從工程師的角度來看)要冷卻到零開爾文,首先需要比零開爾文更涼的東西。

編輯2 :我遇到了“無分子運動”的問題,我似乎找到了每個

概念:

在絕對為零時,所有分子運動都停止了。不再有分子/原子賦予的任何動能。

問題在哪裡?我引用費曼:

當我們降低溫度時,振動會逐漸減小並減小,直到絕對為零為止,原子可以具有的最小運動量,而不是為零。 >

他通過引入海森堡的不確定性原理來證明這一點:

請記住,當晶體冷卻到絕對零時,原子不會停止移動,它們仍會“微動” 。為什麼?如果他們停止運動,我們將知道他們是誰並且他們的運動為零,這與不確定性原則背道而馳。我們不知道它們在哪里以及它們移動的速度有多快,因此它們必須不斷地在其中擺動!對於我不是那麼堅強的物理學學生(這裡是高中生),他的論點似乎很有說服力。

因此要明確地說;在這個問題中,我要問兩個問題:

1)哪個參數正確?我的老師還是其他人的老師?就像費曼所說的那樣“搖擺不定”?

兩者都是胡說八道。絕對可能在物理上為零(儘管不是我們可以做到這一點)。
由於系統只能以對數方式接近它,因此人們將不得不嚴重質疑它在物理上是否可能。
兩種解釋都是錯誤的。 (a)如今很可能獲得毫開爾文範圍的溫度。這樣做是為了消除非常敏感的儀器上的熱噪聲。 (b)非常簡單地講,溫度是動能的量度,分子在零K時仍具有所謂的零點振動能,並且晶體具有晶格運動(聲子)也具有零點能量,因此不成立總能量在零K下為零。原子仍然具有與室溫相同的電子能量。
查爾斯法律的解釋很受歡迎。除了聽我的老師的講解外,我還讀了許多書中的解釋,並且對此感到非常確信。 :(
我聽說過另一個:*絕對零是不可能的,因為它會違反不確定性原理。*
另一個:“無論多麼理想化,任何程序都不可能在有限數量的有限操作中將任何系統的溫度降低到零溫度”。 ([Wikipedia](https://en.wikipedia.org/wiki/Third_law_of_thermodynamics#Absolute_zero))
@porphyrin溫度不是運動能的量度。它只是在恆定V和N時dU和dS之比。這就是在許多外來系統中(實際上)在某些情況下它可能是[負](https://en.wikipedia.org/wiki/Negative_temperature)的原因。例如,已經[相當熟悉](https://en.wikipedia.org/wiki/Negative_temperature#Lasers)。您可以在$ T = 0 $處完美地運動。 [諧波振盪器可以。](https://en.wikipedia.org/wiki/Coherent_states)
我認為我寫的內容在問題範圍內是正確的,但從一般意義上來說並不完整。每個“平方”能量項的平均能量,平移,振動,旋轉是$ = k_BT / 2 $,其中$ k_B $是玻爾茲曼常數。假設應用了玻耳茲曼分佈,即每個能級的能量均小於其下一個能級的能量,並且能級數是無限的。然後將在激光或核自旋脈衝NMR實驗中的種群反轉描述為具有負溫度,但僅針對那些水平。
八 答案:
Ivan Neretin
2016-10-14 02:58:37 UTC
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在我的時代,有一個故事是關於一個物理化學家被要求解釋某種效果的,牆上有一張海報來說明。他這樣做了,之後有人注意到海報倒掛了,所以效果似乎相反。像他第一次一樣令人信服,這傢伙毫不畏懼,立即以另一種方式進行了解釋。

在現場準備解釋是一項受人尊敬的運動,但是您的老師走得太遠了。那條查理定律是怎麼回事?看,這是天然氣法則;這是關於氣體的。即使那樣,它仍然只是一個近似值。為了使其準確,您必須使自己的氣體理想,這是無法做到的。隨著溫度降低,所有氣體變得越來越不理想。然後它們凝結在一起,我們剩下的就是處理液體和固體,上述定律從不適用於此,即使不是非常差的近似也是如此。當我們接近絕對零時,呼籲該法則與排除某些反應機制一樣明智,其理由是它要求原子運動的速度超過夏威夷州的道路速度限制所允許的速度。

動能能量。 $ E = mc ^ 2 $部分保留在那裡,所以質量永遠不會流向任何地方。

總而言之,沒有任何物理定律禁止物質的存在絕對為零。並不是說它的存在會導致世界因錯誤500而崩潰。僅僅是您越接近它,它就需要付出更多的努力,就像其他理想的事物(理想的真空,理想的純化合物,無缺陷的晶體等) )。如果有的話,我們正在做得不錯。使用激光冷卻電磁蒸發冷卻等複雜技術,我們早已超越了自然界的寒冷記錄。

評論不作進一步討論;此對話已[轉移為聊天](http://chat.stackexchange.com/rooms/46950/discussion-on-answer-by-ivan-neretin-why-is-absolute-zero-unttainable)。如果有人需要將其中的任何內容合併到答案中,我可以根據需要取消刪除它們,或者您可以從聊天室將其複制回來。
恩,伊万?我似乎有點“動能”問題。您能再看看這個問題嗎? (我剛剛編輯了)
當然,我確實簡化了很多事情;費曼也是如此。的確,原子絕對為零時,位置仍然存在一定的不確定性,由於海森堡原理,這種不確定性無法進一步降低。它是否構成_motion_是一個哲學(即毫無意義的)問題。
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我只是說,絕對零的事情“不受物理定律的禁止”;我從未說過我們可以做到。相反,請參見_“您越接近它,付出的努力就越多” _部分?
@IvanNeretin您能否將永遠無法做的事情與自然定律分開?除非有人根據其他自然法則提出爭論,或者本質上發現了新的法則,否則人們怎麼知道某事是永遠做不成的?
@LinearChristmas為什麼當然可以。理想的真空可能是最簡單的例子。或者想像一下100%純的NaCl晶體,沒有任何雜質或缺陷。就我們所知,它會持續存在。不過,希望能在現實生活中獲得好運。絕對零也一樣。
@IvanNeretin您談到了位置不確定性,並詢問是否可以將其解釋為運動,但實際上相關的是*動量*中的不確定性。毫無疑問,這甚至對於定義一個靜止的物質也是一個問題。您不能降到零開爾文,因為沒有運動是海森堡不存在的事情。您的回答根本無法解決。
Cort Ammon
2016-10-14 02:07:20 UTC
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絕對零是一個棘手的概念,尤其是一旦您開始對其精確的時候。熱力學和量子力學是一件棘手的事情!我將盡量避免使用精確的部分,看看是否能給您一個比一堆方程式更直觀的答案。

第一個問題是“達到一定溫度”意味著什麼絕對零度。”通常,當我們用類似這樣的詞表達時,我們是在考慮平衡熱力學。在這種情況下,我們對具有均勻溫度的散裝物體感興趣。我們可以很快地看到,如果在“絕對為零”的對象和任何非絕對為零的對象之間存在任何熱傳遞,則第一個對象將被加熱,因為來自較熱對象的熱能會流入其中。這意味著我們處於絕對零的對像只有在隔熱的情況下才能保留在那裡。沒有已知的方法可以做到這一點(尤其是在輻射加熱時),除非您的絕對零點物體被其他絕對零點物體完全包圍。這形成了一種通天塔,當某些外部物體必須經受3K背景輻射時,它最終會掉落。空的空間比絕對的零“溫暖”。

如果我們考慮非平衡熱力學世界,該怎麼辦?這是對當前尚未達到平衡的系統的研究。這是一個奇怪的地方,可能發生一些乍看之下毫無意義的事情。其中之一是負溫度。負溫度的發生是由於物理學家如何定義溫度:$ \ frac {1} {T} = \ frac {\ text {熵的變化}} {\ text {能量的變化}} $。很容易證明,在平衡情況下(我們習慣於這種情況)不可能有負溫度(它還指出,如果您將T設置為0,則方程中將具有未定義的值)。但是,在非平衡熱力學中,我們可以考慮可轉移的奇怪化合物。您可以將它們想像成完美地位於光滑山頂的球。如果球朝任意方向輕敲,它將滾下山坡到底部。但是,在頂部,它在理論上可以(暫時)保持靜止。

我們將原子束縛到陷阱中,並將其冷卻到非常冷(十分之一開爾文)。然後,我們打開了一個開關,將陷阱轉了過來。突然,一個非常穩定的位置變成一個不穩定的平衡。如果您在這個怪異的狀態下運行數學運算,結果表明這意味著溫度為負!

現在,這表明,由於溫度從正溫度變為負溫度,因此它必須已經跨越了0K,證明了我們創造了一些絕對為零的東西。然而,這種情況並非如此。實際發生的情況是溫度沖向正無窮大,達到不連續,然後迴繞到負無窮大。然後,它從負無窮大接近其負溫度。因此,即使在這種情況下,我們也無法達到絕對零。

量子力學還存在一個問題,即如果您嘗試過,就永遠無法證明自己達到了絕對零。熱能是動能,它與動量有關。假設您找到了一種假設方法來達到絕對零值。當您去證明您的發現時,您必須證明動量也為0。但是,通過證明這一點正確無誤,不確定性原理指出您對這些粒子的位置一無所知。它們可能在宇宙中的任何地方!

好答案!感謝您的發布,歡迎來到Chem.SE!
我更喜歡將不確定性參數陳述為:以任何方式觀察對像在特定位置,是一種相互作用,可以賦予它一定的動力,並且在這種相互作用之後,對象處於0%的機會絕對零度。它與第一段一起。即使理論上我們有一個絕對值為零的對象,只要它從未被觀察到或未與之交互,它就僅存在於那裡。
@hobbs是的。我對這種措辭方式有些保守。鑑於我從一種假設方法開始,以達到絕對零值,我想盡可能地保持接近原始數學極限。我想避免開發假設的測量方法的自然漏洞,該方法可以完成這項工作。
@CortAmmon足夠公平。我只是覺得“如果您完全了解動量,那麼位置可以在任何地方!”論據是造成混亂的根本原因之一。人們不理解它是從所有可能的測量中獲得的可能信息的數學界限,他們想像著發生了各種各樣的神秘事情:)
@hobbs是的,但是量子物理學是基於這樣的假設,即不確定性關係是一個物理概念,而不僅僅是我們的測量極限。實際上,粒子確實不能具有確定的動量。我們不能更精確地測量動量,因為我們的測量有缺陷或以某種方式影響粒子,我們不能測量它,因為它沒有確定的動量。用一個類比,甚至上帝都不知道粒子的確切動量。甚至愛因斯坦也對這個概念有疑問,並有句著名的話:“上帝不會死”。
我認為您誤用了“易變的”一詞,您所描述的非常不穩定。它對任何干擾都具有零抵抗力。亞穩態是勢能的局部最小值,您所描述的是局部最大值,我相信它被稱為“鞍點”。
@luk32我想您可以區分一下。當接近絕對零時,有足夠的限制使差異變得不那麼重要。當穩定區域接近零時,很容易將鞍點定義為亞穩區域的極限。當然,實際上,會存在一些缺陷,這些缺陷會導致系統不穩定或達到您所提到的亞穩態,其中,缺陷會產生局部最小能量,並在其周圍具有較小的穩定區域。
這些是具有精確數學定義和物理解釋的術語。我認為申請並不重要。我不知道在接近0K時氣體的潛在功能如何。也許區分並不重要,但是這些術語不會失去其含義。 “突然,一個非常穩定的職位變得非常不穩定。”您在此處描述的是更改勢函數的形式,因此最小值變為最大值,因此從亞穩態開始,您會創建不穩定的平衡(這是局部最大值的名稱,即鞍點)。
我看到了@luk32。我將更改該術語以匹配物理術語。在電氣工程中,該點稱為亞穩態點,並且在哲學上將其視為亞穩態(請參見Buridan的屁股)
我從量子化學中知道這一點,並且與此處的第一幅圖片一致https://en.wikipedia.org/wiki/Metastability。但是,在您發表評論後,我檢查了[電子設備的可流通性](https://en.wikipedia.org/wiki/Metastability_in_electronics),第一句將兩種狀態都放入了“一個袋子”,所以我清楚地看到了來自。雖然,就我個人而言,我不認為任何真實的系統都可以處於不穩定的平衡狀態,但是要使其不受任何干擾是根本不可能的。我很好奇為什麼電子工程師會關心它。要繼續閱讀。
@luk32我們很在意它,因為對我們而言,亞穩態意味著狀態會持續不確定的時間,然後才能將電壓拉到一側或另一側,並且如果處於中間狀態,會有很多電路出現異常。例如,如果晶體管留在放大區域而不是開關區域中,它們可能會過熱。在化學領域,必須等待1000倍的時間才能使系統最終脫離其不穩定的平衡,這可能沒什麼大不了的,但是當您依賴於保持電路正常工作的時間時,它可能會令人討厭。
好的,因此要花很長時間才能從平衡中跌落到實際的穩定狀態,所以即使它是不穩定的,出於實際原因,它也和亞穩態一樣好。非常感謝您的解釋。很有道理。乾杯。
不確定性的可怕名稱並不是說您無法知道粒子在動量為零的位置。我說粒子以那種狀態散佈在整個宇宙中,直到最終在宇宙中的任何地方凝結。因此,實際上說來,將粒子REALY減小到零動量只會使其遠離。當然,它不會讓您將其擠壓到超過其基態,因為您實際上不能擠壓它,而只是請它通過由激光產生的友好的光子使它冷卻一點:)
您在這裡有很多優點,但是您可能會考慮重新將論點聯繫起來。通過熵定義具有負溫度的系統實際上會將熱量傳遞給0K的物體。
Isobutane
2016-10-14 15:17:57 UTC
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拋開量子力學(這讓我頭疼),熱力學第二定律阻止了在實踐中達到絕對零。為了冷卻,必須將其熱量轉移到比其涼爽的地方。由於沒有什麼可以比絕對零更酷,因此無法將某物冷卻到絕對零。

一個人可以在接近$ 0 \ \ mathrm {K} $的位置,並對其量子棒極了而感到驚訝,但是正如Cort所解釋的那樣,在絕對值為零時,量子效應使溫度的概念變得相當尷尬。 / p>

正如伊万指出的那樣,您的老師的解釋是基於理想氣體定律,並且沒有理想氣體之類的東西,尤其是不接近絕對零。

我們不要忘了掉進一桶液態氦的物理學家。他現在是0K。

“要冷卻某物,必須將其熱量轉移到比其涼爽的東西上”是完全錯誤的。例如。到目前為止,冰櫃是我公寓中最涼快的物品,但使用時沒有任何麻煩。
@DmitryGrigoryev在宏級別上,是。但是,在其中的每個物理階段,熱量都從越來越熱轉移。較熱和較冷的是受壓力操縱的。不管您對物質加壓,減壓或以其他方式弄亂多少,都不能低於絕對零。根據定義,您可以獲得的最接近溫度是相同的溫度,因此永遠不會有散熱器達到Abs 0。
@WilliamKappler Heat不必移動到較冷的地方。如果您膨脹一種氣體,它將冷卻。另一個效果的例子是達到〜0.3 mK的常用方法。您在液體He3上抽真空,使其中的一部分蒸發並冷卻剩餘的液體He3。顯然,要變冷的唯一方法不是讓熱量轉移到更冷的東西上,否則冰箱將需要某種“冷源”。但是事實並非如此,他們使用壓縮機來冷卻製冷劑,而無需使用更冷的東西。
@Matt不管您對某物進行多少壓縮,它都將保留完全相同的熱能。絕對零沒有熱能。您可能會接近絕對零,但是您無法通過施加壓力來達到它。而且這忽略了您不會使氣相(或實際上是4個常見相中的任何一個)接近絕對0。
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@Matt,我認為您缺少第一條評論的全部內容。請參閱:“在宏觀層面上,是的。但是,在其中的每個物理階段,熱量都從越來越熱轉移到另一個。”也就是說,您*確實需要更高和更低的溫度*,但可以在系統內生成那些,從而使您似乎將熱量從更低的溫度轉移到更高的溫度。分解為絕對0。
宇宙中最冷的物體是3K背景輻射。您的論據暗示我們永遠無法將3K以下的物體冷卻,這顯然是錯誤的。
但是,理想的球形無摩擦氣體呢?
迄今為止記錄的最冷的溫度是0.006 K,這在立方米的銅中是相當大的。 http://www.interactions.org/cms/?pid=1034217我為他們在此實驗中使用古羅馬鉛來降低放射水平而感到非常高興。
yeoman
2016-10-15 16:46:34 UTC
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通常的回答是,這是無法實現的,因為絕對真空是無法實現的,因為時空的基態本身俱有非零能量。這種基態偶爾會凝結,形成虛擬粒子。

此外,除了時空本身的最低能級不為零的根本原因外,到處都有許多中微子,您可以'不能真正保護自己。一個巨大的銀河系大小的金球可能在某種程度上可以做到這一點,但是不幸的是,由於廣義相對論(即很久以前它就會變成黑洞),您無法構建這樣的東西。

接近零和它們的倒數一樣困難,即像巨大的銀河大小的金色球體這樣的東西,因此,即使沒有我首先給出的基本原因,由於我們的宇宙充滿了東西,這仍然是不可能的

評論不作進一步討論;此對話已[移至聊天](http://chat.stackexchange.com/rooms/46885/discussion-on-answer-by-yeoman-why-is-absolute-zero-unttainable)。
Andrei
2016-10-14 18:08:39 UTC
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絕對零絕對可以存在(請參閱後面的編輯),並且至少有一種理論認為絕對零在某種程度上成為宇宙中的常態。

絕對零無法觀察到。觀察總是意味著互動。絕對零表示沒有任何運動。觀察意味著您要么以某種方式從被觀察的對象接收粒子,要么以某種方式發送一些粒子返回給您,或者您在另一側擁有設備,然後測量粒子與其他粒子的相互作用。

如果空間中的位置是$ 0 \ \ mathrm {K} $,則意味著什麼都不會移動,因此從那裡什麼也無法到達您,除非:

您將粒子發送到其中的位置空間,您期望擁有$ 0 \ \ mathrm {K} $,但是到了您的粒子存在時,空間將不再具有$ 0 \ \ mathrm {K} $,因為它將有一個移動的粒子發送後,您將觀察到剛剛產生的溫度。

稍後編輯:我想這取決於您如何定義溫度。如果您認為某物必須具有溫度,則$ 0 \ \ mathrm {K} $不存在,因為任何字段的任何波動都意味著某物存在並且某物的溫度高於$ 0 \ \ mathrm {K } $。但是,如果將溫度的定義擴展到不存在的對象,則這樣的對象應具有$ 0 \ \ mathrm {K} $

像不確定性原理一樣,這與觀察無關,而從根本上講。
@yeoman觀察不是基本的東西,為什麼不與觀察有關?
在量子力學中,粒子不是在太空中飛行的點。相反,它是時空上的斑點,由Schrödinger/ Dirac方程描述。 Blob可以非常集中於特定位置,然後隱含對其動量非常模糊。或反過來。或介於兩者之間。它是其狀態的基本屬性,因此是存在或不存在測量的粒子本身的基本屬性。
簡而言之,當某事物不可測量時,它就不存在。如果您不能在不干擾動量的情況下測量準確的位置,那麼粒子就沒有確定的動量。沒有無法測量的隱藏變量。打個比方,連上帝都不知道確切的動量。
然後,@JannikPitt對我的整個觀察概念就被徹底吹散了。您如何在沒有任何互動的情況下觀察到某些東西?我認為,觀察涉及信息的傳遞。轉移意味著過去曾經不在某個地方的東西不再存在,而是在一個位置上,人們可以從該位置上解釋信息,以便人類通過其感官之一來閱讀。即使觀察沒有主動改變對象,對像也必須改變自身,其他人才能觀察它。即便如此,即使沒有觀察,該物體仍然存在。
ParaH2
2017-03-16 05:31:05 UTC
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兩天前,已經發表了一篇有關以下事實的出版物:現在已經證明,不可能達到絕對零。

這有點難以理解,但是很好地證明了這一點。

出版物在那裡

請閱讀!

MariusM
2016-10-14 11:55:37 UTC
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絕對不能達到。從理論上講,您可以按照經典的物理學定律來做到這一點,但量子力學(包括量子電動力學)可以防止達到絕對零。根據這些定律,即使在零水平時,也可能會有能量波動,這意味著溫度也會在零以上波動。溫度越低,量子效應的影響越大。狹義相對論(諸如$ E = mc ^ 2 $之類的東西)在這裡無關緊要。

如果有的話,那就是經典理論阻止了我們達到絕對零,而量子理論則提供了一個微弱的希望,那就是即使只是在某種有限的意義上,它也可以真正實現。瞧,如果能量是無限可分的,那麼您可能會吸走剩餘熱量的一半,然後是其餘的一半,然後又是其餘的一半,依此類推。但是,如果能量只分散在很小的一部分上,那就是另一回事了。
對於任何溫度都是如此,不僅是絕對零。由於波動,任何給定的溫度值都是無法獲得的。
當整點能量非零時,請不要將其稱為“零能級”:D
這種說法沒有道理。任何QM系統的零點能量肯定是“有限的”,而我們可以將任何物體無限接近零K地冷卻下來。
Li Zhi
2016-10-26 03:02:57 UTC
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費曼是正確的。停下來思考一下。如果我們接受絕對零是無法獲得的命題,那麼“絕對為零”意味著什麼?假設絕對零是不可獲得的。這些陳述中哪個更不正確:1。絕對為零時,沒有運動。或2.絕對為零時,沒有質量。兩者都是錯誤的。由於謂詞為假,因此從邏輯上講,這些語句是無意義的。 (這意味著這兩個語句也同樣適用。但是雖然經常使用#1,但除非確定要扔爛水果,否則我肯定不會使用#2。#1足夠“接近”以致於“有用” ”(如果為假),而#2則沒有任何物理依據。)傳統上,熱力學定律是經驗性的。之所以如此,是因為它們是。那裡沒有“為什麼”。但是,我們可以從經典的統計力學(在接受第二定律後多年發明)中得出,甚至可以在量子力學的發明(1925年以後)及其在統計力學中的應用之後得到更好的結果。溫度是大量量子粒子的性質,原子沒有(通常定義)溫度。因此,為了理解為什麼該總體不能具有0 K的溫度,我們需要了解如何溫度是從系統組成的粒子的量子力學性質中得出的。那是大學的一學期課程,不是入門課程!如果您了解費恩曼的解釋,請接受它(儘管它並不完美-畢竟它是針對大學新生,以前沒有接觸過量子力學)

我不確定費曼在這裡的意思。絕對可以達到有限系統的最低量子態。到那時,我們無法從系統中除去更多的能量,並且處於零熱力學溫度。當然,就精確的量子力學描述而言,任何宏觀物體實際上都是無限的。


該問答將自動從英語翻譯而來。原始內容可在stackexchange上找到,我們感謝它分發的cc by-sa 3.0許可。
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