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每日一問38:絕對零度的數值是怎麼測算出來的?

絕對零度可以用理想氣體理論推匯出來。根據蓋-呂薩克定律,壓強恆定時,降低溫度,氣體的體積會壓縮,並且這種變化是線性的。測量一段溫度範圍內體積隨溫度變化的規律,並延長到體積為零的位置,此時的溫度值就是最早對絕對零度的定義。更先進的定義要用到關於熱機迴圈的知識,這裡就不細說了。物理學中常用單位K(開爾文)計量溫度,絕對零度為0K,0℃為273.15K。

目前尚沒有方法可以實驗上準確測出絕對零度的值。絕對零度是一個理論上的極限值,在接近絕對零度時,很多性質都會發生變化。比如,根據蓋-呂薩克定律,保持恆定壓強,降溫至絕對零度,氣體的體積會降為零。實際上這是不現實的,絕對零度附近,蓋-呂薩克定律不再準確。再比如,開爾文認為絕對零度下粒子的能量為零(這其實也是如今很多人的認識),但這後來也被推翻。在接近絕對零度時,玻色子會全部佔據最低能級形成“玻色-愛因斯坦凝聚”,而費米子會佔據“費米能級”以下所有量子態,總之它們的能量都不為零。極低溫下還有超導、超流等很多新奇的物態,這些都不能用經典物理的知識理解。

有很多種降溫的方法可以接近絕對零度。凝聚態物理中,使用“稀釋製冷機”等手段可以降溫到mK(0.001K)的水平。專門研究極低溫物理的冷原子物理中,使用鐳射、磁場等輔助,可以實現nK(0.000000001K)量級的溫度。我在最後附上一張冷原子領域的經典圖片,這是170nK溫度下銣原子的玻色-愛因斯坦凝聚,該發現獲得了2001年的諾貝爾物理學獎。想要深入瞭解這一問題,歡迎學習熱力學和統計物理的相關知識。

每日一問38:絕對零度的數值是怎麼測算出來的?


玻色-愛因斯坦凝聚發生時的粒子速度分佈圖 左圖:發生前;中圖:發生後;右圖:繼續降溫後

回答: 老張

編輯:yrLewis

分類: 科學
時間: 2021-06-29

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