友情提醒：硬核，不要輕易嘗試！！！
絕對(duì)零度：完整解釋
絕對(duì)零度是可能存在的最低溫度。它對(duì)應(yīng)于熱力學(xué)溫標(biāo)的下限。也就是說，它是理想氣體的焓和熵達(dá)到指定為0的最小值的狀態(tài)。該理論溫度是通過外推理想氣體定律來確定的。根據(jù)國際公約，絕對(duì)零度值固定在-273.15°C（攝氏度）或-459.67°F（華氏度）左右。根據(jù)定義，開爾文和蘭金量表認(rèn)為絕對(duì)零為零。請(qǐng)注意，開爾文標(biāo)度不能接受負(fù)數(shù)。
熱力學(xué)定律意味著絕對(duì)零度不能僅靠熱力學(xué)方法實(shí)現(xiàn)。冷卻劑的溫度漸近接近冷卻劑的溫度。在量子力學(xué)中，絕對(duì)零度的系統(tǒng)具有零點(diǎn)能量，即絕對(duì)零度的基態(tài)能量。基態(tài)的動(dòng)能是無法消除的。
1702年，絕對(duì)零度狀態(tài)首先由法國物理學(xué)家和科學(xué)家紀(jì)堯姆·阿蒙頓提出，他研究了氣體溫度和壓力之間的關(guān)系，但沒有精確的溫度計(jì)可供他使用。雖然他的結(jié)果是定性的，但他發(fā)現(xiàn)，在給定體積中封閉的給定量氣體的壓力從“冷”溫度增加到水的沸點(diǎn)增加約三分之一，并且在溫度下不會(huì)發(fā)生壓力。
1824年，薩迪·卡諾（Sadi Carnot）出版了他的主要著作：對(duì)火的驅(qū)動(dòng)力和適合這種力量發(fā)展的機(jī)器的思考。在早期評(píng)論家省略的腳注中，他認(rèn)為理想熱機(jī)的效率可能是絕對(duì)溫標(biāo)的基礎(chǔ)。
1848年，威廉·湯姆森（開爾文勛爵）提出了一個(gè)絕對(duì)溫標(biāo)，其中測量的溫降對(duì)應(yīng)于所研究體內(nèi)的等效熱降。這個(gè)概念將絕對(duì)零度確定為熱量不能再從不受氣體定律約束的物體轉(zhuǎn)移的溫度。
描述
絕對(duì)零度定義為只能漸近達(dá)到的最低可能溫度。這是理論性的，不可用。在0 K的溫度下，該物質(zhì)不再包含宏觀尺度上占據(jù)幾個(gè)微觀能級(jí)所需的熱能（或熱量）。它的組成粒子（原子，分子）處于相同的最小能量狀態(tài)（基態(tài)）。這導(dǎo)致零熵，因?yàn)檫@些粒子不能用相同水平的基態(tài)能量來區(qū)分，也因?yàn)樗鼈冊(cè)诮?jīng)典意義上完全不動(dòng)。
然而，根據(jù)量子物理學(xué)理論，遵循不確定性原理（海森堡），粒子總是具有非零動(dòng)量。事實(shí)上，在接近絕對(duì)零度時(shí)，身體的分子具有越來越精確的力矩（接近于零），并且它們的位置仍然存在內(nèi)部不確定性。然而，當(dāng)他們?cè)噲D停止時(shí)，他們的立場也變得更加清晰。他們觀察量子不確定性的原理，因?yàn)樗麄儍A向于接近絕對(duì)零度的最小能量狀態(tài)。我們談?wù)摰氖墙^對(duì)零度的殘余能量。
物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接近這個(gè)極限時(shí)，一些物質(zhì)獲得了獨(dú)特的性質(zhì)。一些作為氦的穩(wěn)定同位素的液體完全失去其粘度。這是超流動(dòng)性。此外，一些金屬或合金會(huì)失去電阻（這是超導(dǎo)性），或者相反，具有非常高的電阻（這是超絕緣）。
方法
在實(shí)踐中，今天0.21 K通常是通過氦氣蒸發(fā)來實(shí)現(xiàn)的，但是另一種方法，稱為“順磁性材料的絕熱退磁”，即使在低溫下也可以將此數(shù)字減少到1×10-6 K。最后，含有玻色 - 愛因斯坦凝聚物的原子氣冷玻色子可以達(dá)到1×10-9 K的溫度。正是這種激光冷卻方法，麻省理工學(xué)院研究人員用它來記錄450 pK。
極低的溫度
核消磁可以通過低溫冰箱，稀釋冰箱和低溫恒溫器實(shí)現(xiàn)，但不能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)零度。用激光冷卻原子可以達(dá)到低于開爾文十億分之一的溫度。在接近絕對(duì)零度的極低溫度下，物質(zhì)表現(xiàn)出許多不尋常的性質(zhì)，例如超導(dǎo)性，超流動(dòng)性和玻色 - 愛因斯坦凝聚。為了研究這些特性，科學(xué)家們?cè)噲D達(dá)到更低的溫度。
負(fù)絕對(duì)溫度
在一些量子物理實(shí)驗(yàn)中，算子計(jì)算負(fù)熱力學(xué)溫度。這些非常低的負(fù)值（從幾皮開爾文到幾納開爾文）在測量一些非常具體的量子系統(tǒng)時(shí)表現(xiàn)出來，其中熵達(dá)到其最大值，然后隨著額外能量的增加而降低。因此，測量到的負(fù)絕對(duì)溫度的樣品不應(yīng)被視為比絕對(duì)零度“冷”，因?yàn)樗鼈儠?huì)向與它們接觸的其他系統(tǒng)提供熱量。負(fù)溫度并不意味著在某些時(shí)候溫度已經(jīng)超過絕對(duì)零度，并且“絕對(duì)零度仍然無法實(shí)現(xiàn)”。
2013年1月，物理學(xué)家在科學(xué)雜志《自然》上發(fā)表了第一個(gè)從鉀原子中產(chǎn)生氣體的負(fù)絕對(duì)溫度，由熱力學(xué)自由度決定。該方法是捕獲在正絕對(duì)溫度下不穩(wěn)定的配置中的原子，如果陷阱是穩(wěn)定的，則為系統(tǒng)分配負(fù)絕對(duì)溫度。這項(xiàng)工作的意義和重要性尚待確定。
大約140億年前，宇宙誕生時(shí)就升溫到1032°C的巨大溫度，今天，它的主要特征是寒冷。但是在這里，在地球上，零下200°C的霜凍不會(huì)威脅到我們。因此，我們希望超低溫的故事有助于在寒冷中溫暖我們的心。
威廉·湯姆森，開爾文勛爵英國物理學(xué)家，熱力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)和力學(xué)專家。開爾文熱力學(xué)溫度單位是國際體系中的七個(gè)測量單位之一，以他的名字命名。/注意/拉引號(hào)
過去，開爾文勛爵將慢管家稱為絕對(duì)零度。這個(gè)詞就是這樣誕生的。笑話。此外，這位科學(xué)家并不是第一個(gè)確定最低溫度的人。
18世紀(jì)初，法國物理學(xué)家紀(jì)堯姆·阿蒙頓曾考慮過“絕對(duì)寒冷”。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空氣從0°C（水的冰點(diǎn)）加熱到100°C（沸騰）時(shí)，壓力會(huì)增加約三分之一。這位科學(xué)家想知道：需要多少時(shí)間來冷卻空氣才能使壓力消失，即使空氣變得堅(jiān)固？一個(gè)半世紀(jì)后，英國物理學(xué)家威廉·湯普森（當(dāng)時(shí)尚未被授予開爾文勛爵的頭銜）根據(jù)類似的考慮計(jì)算出幾乎精確的絕對(duì)零度值。然后，開爾文從那時(shí)起就構(gòu)建了一個(gè)刻度。
實(shí)際上，絕對(duì)零度并不存在。為什么？體溫是由原子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。這意味著在-273.15°C的溫度下，所有原子都必須處于靜止?fàn)顟B(tài)。但這是不可能的，因?yàn)榱孔有?yīng)，即所謂的零振蕩，它也存在于真空中。
自然界中最低的多少是 1K （-272°C）
你試圖在哪里找到最低溫度？也許在一個(gè)沒有熱源的地方，例如，在遠(yuǎn)離星系的太空中？不幸的是，即使是宇宙沙漠也會(huì)失敗，因?yàn)樗鼤?huì)升溫幾度，即高達(dá)2.725 K，這是由于宇宙大爆炸遺留下來的宇宙微波背景輻射。
然而，事實(shí)證明，在宇宙中可能存在比空性更冷的東西。1995年，智利歐洲南方天文臺(tái)的天文學(xué)家估計(jì)，回旋鏢星云中的恒星氣體以600，000公里/小時(shí)的速度噴發(fā)。其本質(zhì)是，隨著氣體的快速膨脹，內(nèi)部熱能被消耗，因此同時(shí)冷卻。星云用于增加氣體包絡(luò)。這個(gè)原理是大多數(shù)冰箱工作的基礎(chǔ)。
太陽系中最低的多少 -240°С
離太陽越遠(yuǎn)，它似乎越冷，在某種程度上這是真的。三個(gè)最冷的地方包括海王星的衛(wèi)星海衛(wèi)一（低于-237.6°C），冥王星（-230°C）和意外的月球。
可以理解為什么海衛(wèi)一這么冷。畢竟，它距離太陽45億公里。冥王星比它應(yīng)該得更冷，因?yàn)楫?dāng)行星接近太陽時(shí)，其表面的氮冰會(huì)融化，并在遠(yuǎn)離太陽時(shí)再次形成。結(jié)果，它的表面像汗流浹背的人體一樣冷卻。另一方面，月球是一個(gè)記錄保持者，因?yàn)樗牡撞坑猩钌畹碾E石坑，陽光無法進(jìn)入。此外，其表面可以加熱到100°C以上的溫度。
應(yīng)該指出的是，太陽系中仍有許多未開發(fā)的天體，奧爾特云和柯伊伯帶的一些物體很可能會(huì)將月球從它的位置移開。
最低的人造。多少 50 皮開爾文 （0.000 000 000 05 K）
許多材料在非常低的溫度下表現(xiàn)出卓越的性能。例如，金屬變成超導(dǎo)，液體和冷凝氣體變成超流體。在接近絕對(duì)零度的溫度下，玻色 - 愛因斯坦凝聚發(fā)生 - 一種物質(zhì)狀態(tài)，其中所有原子獲得相同的能級(jí)并且彼此無法區(qū)分。
根據(jù)發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上的一篇文章，今年春天，物理學(xué)家馬克·卡塞維奇（Mark Kasevich）和斯坦福大學(xué)的同事們能夠?qū)?0萬個(gè)銣原子的凝聚物冷卻到約50皮開爾文。該指標(biāo)是在抑制原子運(yùn)動(dòng)的特殊激光的幫助下實(shí)現(xiàn)的。
地球上最低的什么距離 -89.2°С
東方不僅是一個(gè)微妙的問題，而且在南極基地方面也是一個(gè)非常寒冷的問題。蘇聯(lián)氣象學(xué)家在1983年記錄的-89.2°C的溫度記錄現(xiàn)在存在爭議。例如，最近在日本富士巨蛋極地天文臺(tái)附近報(bào)告了低至-2°C的溫度。然而，測量是使用僅讀取表面溫度而不是空氣的衛(wèi)星進(jìn)行的。
雅庫特的兩個(gè)定居點(diǎn)正在爭取被視為北半球寒冷地區(qū)的權(quán)利。這是維爾霍揚(yáng)斯克市和奧伊米亞康村（事實(shí)上，談?wù)搳W伊米亞康區(qū)更正確，因?yàn)樵谀抢镞M(jìn)行觀察）。（距離村莊40公里）。在維爾霍揚(yáng)斯克，記錄的溫度仍然略低--67.8°C。
然而，Oymyakon的捍衛(wèi)者并沒有放棄，不僅試圖移動(dòng)他們的鄰居 - 競爭對(duì)手，而且還挑戰(zhàn)世界紀(jì)錄。正如他們正確指出的那樣，沃斯托克基地位于海拔三公里以上的高度，而奧伊米亞康位于海拔700米的高度，這使得它們的高度相同，這意味著奧伊米亞康是地球上最冷的地方。事實(shí)上，海拔僅100多米的維爾霍揚(yáng)斯克在這些討論中被遺忘了。
宇宙中273度
什么是絕對(duì)零度（通常為零）？這樣的溫度真的存在于宇宙的任何地方嗎？在現(xiàn)實(shí)生活中，是否有可能將某些東西冷卻到絕對(duì)零度？本文試圖回答這些問題和其他有趣的問題。
對(duì)寒冷的邊界感興趣的原因有很多。也許你是一個(gè)不可思議的超級(jí)惡棍，他想利用凍結(jié)的力量，了解你的能力。或者你想知道你是否可以克服一波寒冷。讓我們來探索低溫的極限。
物理意義
你不必是物理學(xué)家就能熟悉溫度的概念。但是，如果你突然不幸地在森林或其他星球上長大，這里有一個(gè)快速概述。
溫度是材料中內(nèi)部隨機(jī)能量的量度。“內(nèi)部”一詞至關(guān)重要。當(dāng)你扔雪球時(shí)，主要運(yùn)動(dòng)發(fā)生得相當(dāng)快，但雪球仍然很冷。另一方面，如果你看看在房間里飛來飛去的空氣分子，那么普通的氧氣分子就會(huì)以每小時(shí)幾千公里的速度飛行。
對(duì)于專家來說，溫度比我們說的要復(fù)雜一些，因?yàn)槲覀儍A向于對(duì)技術(shù)細(xì)節(jié)保持沉默。溫度的真正定義是每個(gè)熵單位必須消耗多少能量（由于缺乏更合適的術(shù)語，殘疾，我們已經(jīng)詳細(xì)闡述了熵）。但是，讓我們跳過所有的微妙之處，專注于這樣一個(gè)事實(shí)，即隨著溫度的下降，冰中空氣和水的隨機(jī)分子移動(dòng)和振動(dòng)得更慢。
絕對(duì)零度在 -273.15 攝氏度或 -459.67 華氏度時(shí)正好是 0 開爾文。這是熱運(yùn)動(dòng)完全停止的點(diǎn)。
分子和原子何時(shí)停止？
對(duì)這個(gè)問題的經(jīng)典考慮是，一切都止步于絕對(duì)零度，但正是在這一點(diǎn)上，量子力學(xué)的可怕槍口從拐角處探出頭來。量子力學(xué)的一個(gè)預(yù)言已經(jīng)染上了不止一個(gè)物理學(xué)家的血液，那就是粒子的確切位置和動(dòng)量永遠(yuǎn)無法完全確定地測量。這被稱為海森堡的不確定性原理。
如果密閉的房間可以冷卻到絕對(duì)零度，就會(huì)發(fā)生奇怪的事情（稍后會(huì)詳細(xì)介紹）。氣壓將降至幾乎為零，空氣將散落在地板上的薄層中，因?yàn)闅鈮和ǔ２粫?huì)屈服于重力。
但是，如果您可以測量單個(gè)分子，則可以看到有趣的東西。它們振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。量子不確定性適用。如果我們測量二氧化碳分子在絕對(duì)零度的旋轉(zhuǎn)，我們發(fā)現(xiàn)氧原子以每小時(shí)幾公里的速度圍繞碳旋轉(zhuǎn)。
對(duì)話結(jié)束。當(dāng)我們談?wù)摿孔邮澜鐣r(shí)，運(yùn)動(dòng)失去了意義。在這樣的尺度上，粒子不是靜止的，因?yàn)橐磺卸际怯刹淮_定性決定的。你不能像測量靜止的粒子一樣測量它。
是否有可能達(dá)到絕對(duì)零度？
追求絕對(duì)零度與追求光速一樣，也遇到了同樣的問題。達(dá)到光速需要無限量的能量，達(dá)到絕對(duì)零度需要釋放無限量的熱量。如果有的話，這些過程都是不可能的。
盡管我們還沒有達(dá)到絕對(duì)零度的實(shí)際狀態(tài)，但我們非常接近它（然而，在這種情況下，“非常”是一個(gè)非常粗略的概念，就像在兒童計(jì)數(shù)押韻中一樣：二，三，四，四和半，四個(gè)在一個(gè)線程上，四個(gè)在線程上，五個(gè)線程上）。地球上有記錄的最低溫度是1983年南極洲的-89.15攝氏度（184K）。
當(dāng)然，如果你想像個(gè)孩子一樣放松，你需要潛入宇宙的深處。整個(gè)宇宙充滿了來自大爆炸的殘余輻射。宇宙中最空曠的區(qū)域，2.73開爾文，略低于液氦的溫度，液氦在一百年前能夠到達(dá)地球。
然而，低溫物理學(xué)家使用升華光束將這項(xiàng)技術(shù)提升到一個(gè)全新的水平。您可能會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，冷凍光束的形狀像激光。但是如何做到呢？激光應(yīng)該燃燒。
這是真的，但激光有一個(gè)特點(diǎn)：它可以用作最后通牒。它甚至可以被稱為最后通牒。事實(shí)是，所有光都以相同的頻率發(fā)射。普通的中性原子根本不與光相互作用，除非頻率被精確調(diào)諧。當(dāng)原子飛向光源時(shí)，光經(jīng)歷多普勒頻移以更高的頻率。原子吸收的光子能量比它們能吸收的要少。因此，如果激光被設(shè)置為低電平，快速移動(dòng)的原子會(huì)吸收光并在隨機(jī)方向上發(fā)射光子，從而損失平均少量的能量。這個(gè)過程可以重復(fù)，將氣體冷卻到小于一納開爾文（十億分之一度）的溫度。
事情變得更加極端。最低溫度的世界紀(jì)錄是絕對(duì)零度以上不到十億分之一度的十分之一。允許您實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的設(shè)備可以捕獲磁場中的原子。溫度“主要取決于原子核的自旋，而不是原子本身。
現(xiàn)在，為了公平地做到這一點(diǎn)，我們需要一點(diǎn)夢想。想象一下，一些東西凍結(jié)了十億分之一度，你肯定會(huì)得到一個(gè)想法，即使是空氣分子也會(huì)凍結(jié)在原地，通常在1.5攝氏度左右。我們甚至可以想象凍結(jié)原子旋轉(zhuǎn)的破壞性世界末日裝置。
最后，如果你真的想體驗(yàn)低溫，你只需要等待。在大約170億年后，宇宙輻射的背景溫度將下降到1K，950億年后，溫度將下降到0.01 K左右。4000億年后，深空將像地球上最冷的實(shí)驗(yàn)一樣寒冷，之后甚至更冷。如果你想知道為什么宇宙冷卻得這么快，你可以感謝我們的老朋友——熵和暗能量。宇宙處于加速模式，進(jìn)入一個(gè)永恒的指數(shù)增長期。一切都很快凍結(jié)。
在 0 開爾文時(shí)會(huì)發(fā)生什么？
當(dāng)然，這一切都很棒，打破記錄也很棒。但有什么意義呢？好吧，有很多很好的理由來了解底部和贏家的溫度。
例如，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的善良人士只想度過涼爽的時(shí)光。例如，時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)基于銫原子的頻率。如果銫原子移動(dòng)得太多，就會(huì)在測量中產(chǎn)生不確定性，并最終導(dǎo)致時(shí)鐘失靈。
但更重要的是，特別是從科學(xué)的角度來看，這些材料在低溫下表現(xiàn)出異常的行為。例如，就像激光由彼此同步的光子組成（具有相同的頻率和相位）一樣，它可以產(chǎn)生一種稱為玻色 - 愛因斯坦凝聚物的材料。在其中，所有原子都處于相同的狀態(tài)。或者，想象一個(gè)汞合金，其中每個(gè)原子都失去了它的個(gè)性，整個(gè)質(zhì)量都反應(yīng)為一個(gè)超零原子。
在非常低的溫度下，許多材料會(huì)變成超流體。這意味著它們是絕對(duì)粘稠的，可以堆疊在非常薄的層中，甚至不會(huì)屈服于重力以最小化能量。此外，在低溫下，許多材料成為超導(dǎo)材料。這意味著電阻被排除在外。為了響應(yīng)外部磁場，超導(dǎo)體可以完全抵消金屬內(nèi)部的磁場。因此，低溫和磁鐵的組合可以用來產(chǎn)生一種懸浮。
為什么有絕對(duì)零度但沒有絕對(duì)最大值？
讓我們看看另一個(gè)極端。如果溫度只是能量的量度，那么你可以想象原子越來越接近光速。這不能無限期地持續(xù)下去，不是嗎？
答案很簡單。不知道。有可能存在無限的溫度，但如果有一個(gè)絕對(duì)的限制，那么早期的宇宙提供了非常有趣的線索，關(guān)于它可能是什么。曾經(jīng)存在的最高溫度（至少在我們的宇宙中）可能發(fā)生在所謂的“普朗克時(shí)間”。引力在大爆炸后10^-43秒與量子力學(xué)和物理學(xué)分離。當(dāng)時(shí)的溫度約為10^32 K，比太陽內(nèi)部的溫度高出70億倍。
同樣，我們不知道這是否是有記錄以來的最高溫度。在普朗克的時(shí)代，我們甚至沒有一個(gè)大型的宇宙模型，所以我們甚至不能確定宇宙是否被帶到了這樣的狀態(tài)。無論如何，我們更接近絕對(duì)零度比絕對(duì)熱量近很多倍。
