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从零下700度说起

已有 5516 次阅读 2014-3-15 01:17 |个人分类:物理|系统分类:观点评述

今天见面师弟就问看了昨天张绍中零下700度的高论没有。

其实,张绍中犯的这个错误并不低级。科学网上不是搞物理的博友里,我敢打赌,大部分是不理解绝对零度的。当然,他们都被灌输了这个概念。

我记得非常清楚,在上大学之前,我是无法理解为什么存在最低温度的。绝对零度这个概念在初中物理教材里就引入了,但是我非常清楚地记得,我当时非常纳闷为什么“冷”是有极限的。我十几年的对大自然的体验给我的直觉是,冷和热都没有极限。

个人理解绝对零度的存在,是在大学学了量子力学,热力学和统计物理之后。我也非常清楚地记得,当时那种霍然开朗的喜悦的心情。不夸张地讲,这应该是我经过几年的学习后最大的收获。

最低温度的存在,以及最高温度的不存在,是因为一般来讲一个物理系统总有最低能量态(所谓基态),而不存在最高能量态。拿一个原子来讲,显然其动能最低也就是零---对应于原子动量为零;而其动量至少在非相对论的框架下是无上限的。

其实,所谓温度最低,是在日常生活用的摄氏温标的框架下的。这就是大家熟知的零下273度。对物理学来讲,唯一合适的温标是绝对温标。而在绝对温标里,真正衡量温度高低的是-1/T, 而不是T。注意到当T从正方向趋向于零的时候,-1/T趋向于负无穷大。这就是说在物理学里,绝对零度是无限冷,而不是-273这个数字给人的‘有限冷’的印象。同时,也要注意到,T1=-1 比 T2= 1更热,因为-1/T1比-1/T2大。这里谈到了负温度,并且负温度比正温度其实对应更热的状态。这个概念很惊悚,但是在物理学的框架里是完全合法的。其实早在50年代,就有示过负温度,只不过系统只能处在负温度有限长的时间。比较负温度系统比周围正温度物体更热,能量不可避免地从负温度系统流向环境,从而使得负温度系统冷却而回到正温度状态。

本来任何一个物理学工作者都不应该对负温度表示任何惊异,可以直到今天一些靠制造噱头为生的杂志,比如nature上依然会有所谓实现负温度的文章:

http://www.nature.com/news/quantum-gas-goes-below-absolute-zero-1.12146

对温度这个基本概念感兴趣的话,可以看看门德尔松的科普名著:绝对零度的探索—低温物理趣谈。网上有下载。



https://wap.sciencenet.cn/blog-100379-776053.html

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