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    解读绝对零度,它到底是一个什么概念?

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    • 高能物理
    • Lv.17蜂鸟
      🌾袁隆平

      科学充满了零。光的质量为零,中子电荷为零,一个数学点的长度是零。这些零可能是不熟悉的,但它们遵循一致的逻辑。一切都代表着某种东西的缺失:质量、电荷、距离。

      然后是令人费解的绝对零度。

      我们倾向于认为冷热是相对的东西。例如,一杯茶比炉子上的火冷,但比冰块热。绝对零度代表可能最冷的温度,它与这个模式相抵触。更奇怪的是,绝对零度在非科学家使用的温标上甚至都不是零:摄氏零下273.15度,或者华氏零下459.67度。

      怎么会有最低温度呢?

      解码绝对零度的关键是理解温度是什么。它只是衡量一个物质中的原子或分子运动的速度,或者更精确地说,是这些粒子的平均动能。

      把它想象成一场原子躲避球的游戏。当球击中你时,你会感觉到它的能量。数以万亿计的躲闪球击中,在一个不可见的小尺度发生,是我们所感知的温度。

      快速运动的原子猛烈撞击,我们觉得这是一种高温。当一个热的物体接触到一个冷的物体时,更快、更热的原子就会把它们的一些速度传递给更慢、更冷的原子。热的物体冷却,冷的物体会变暖。

      现在绝对零度中的零度是有意义的:绝对零度是指物质中的粒子基本上静止的温度。没有办法减慢它们的速度,所以不会有更低的温度。

      一切都会在绝对零度停止吗?不完全是。原子并不是完全静止的;它们因量子物理相关的影响而摆动。当然,不管多冷,每个原子的活动都会继续。电子继续运动,质子和中子也是如此。

      谁发现了绝对零度?

      纪尧姆·阿蒙顿(Guillaume Amonton)是一位法国发明家,他在童年时失去听力,从未上过大学。他在1702年提出了这一基本概念。他的实验表明空气压力与温度成正比,他推断有一个最低温度,在这个温度下压力将降到零。他甚至对那个温度做了一个估算,零下240度,非常接近实际值。

      1848年,苏格兰-爱尔兰物理学家威廉·汤姆森(William Thomson),更广为人知的开尔文勋爵,扩展了阿蒙顿的研究,发展了他所谓的适用于所有物质的“绝对”温标。他把绝对零度设为0,去掉了那些笨重的负数。物理学家现在依靠开尔文(K)标度来测量温度。

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      回旋镖星云距离地球约5000光年,已知宇宙中最冷的地方之一

      宇宙中最冷的地方在哪里?

      大爆炸留下的能量温暖了整个宇宙,使它远远高于绝对零度。空间平均温度为2.74开尔文,或零下454.7华氏度。令人惊讶的是,一些天体比空的空间更冷。一团不断膨胀的气体云被称为“回旋镖星云”,它的行为就像一台星际冰柜。它的温度约为1 K,是宇宙中最冷的自然发生地点。

      但人类在地球上的制造的变冷程度远低于此。2003年,麻省理工学院的研究人员使用激光束减缓了钠原子的速度,将其冷却到绝对零度以上的十亿分之一度。这仍然是世界纪录。

      地球以外最冷的地方也是人造的。去年夏天,宇航员在国际空间站上启动了一个名为“冷原子实验室”的实验。这个实验室的温度比空旷的空间低3000万倍。美国宇航局喷气推进实验室的罗伯特汤普森(Robert Thompson),这项实验的研究人员之一:“我一直在研究这个想法,已经有20多年了。见证并运作起来感觉令人难以置信。”

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      当物质变冷时会发生什么?

      超冷原子的行为方式既迷人又有潜在的用处。它们融合成一种奇异的物质状态,称为玻色-爱因斯坦凝聚体。汤普森说:“我们有人希望利用凝聚态来改善卫星导航等实际工作,而其他人则试图测试物理学的基本理论,或者模拟早期宇宙的物理。”

      接近绝对零度,也有可能以其他条件下不可能的方式操纵化学反应。

      去年春天,哈佛大学的化学家用两个缓慢移动的低温原子直接组装了一个分子,使其成为有史以来最小的化学实验。在这种情况下,量子物理的微妙效应变得显而易见。在这种超低温的温度下,我们实际上可以观察到原子和分子的波动性质。

      接下来,科学家希望探索尚未发现的化学规律,并设计新的分子。绝对零度实验的其他可能应用包括精密传感器和时钟,甚至可能包括超级强大的量子计算机。
      解读绝对零度,它到底是一个什么概念?
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      解读绝对零度,它到底是一个什么概念?

      Lv.17蜂鸟
      🌾袁隆平
      emmm……

      科学界的老油条。

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