德科学家将气体温度降至绝对零度以下? 绝对零度以下到底是指什么?

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惊人进展!德科学家将气体温度降至绝对零度以下:近日,德国科学家乌尔里克•施奈德首次通过激光和磁阱技术,使一种由钾原子组成的超冷量子气体的温度,降至绝对零度以下——低于绝对零度几十亿分之开尔文。这项超越极限的技术将有助开发革命性的新材料和设备,帮助宇宙学家近距离分析神秘的暗物质。

是不是在物理学里,负温度是单独有一个特定的指代的,所以说上文这么说其实也没错? 但是绝对零度以下到底是指什么?

似乎有一个“逆波尔兹曼分布”的能量分布解释,
http://www.guokr.com/post/423358/
一般人对温度的理解不是都是微观粒子的运动吗(绝对零度之所以不能到达可以用量子物理的不确定性原理解释,速度和位置不能同时确定,如果到了绝对零度的话说明速度和位置都确定了,因此不可能),从这个一般人的理解角度来讲,要如何说明这个绝对零度以下的概念呢? 这个绝对零度以下概念是否和宇宙膨胀中的所谓反引力一样,是一个特别指代?

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15个答案
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amime理论物理学士,金融博士生

2013-01-04 14:20

通俗点说吧,“负温”就是物理学家为了表述方便设定的一个概念,不是真的为负。
热力学中温度的确定有一条计算公式,通过这个公式,温度与物质粒子的能级分布相对应,当温度是无穷大时,物质粒子刚好在高低能级中对半分布。
此时如果继续增加能量,则高能级中的物质粒子会超过半数,而在温度的确定公式中,从纯粹数学计算的角度看,此时温度的数值就变成了负值,这就是所谓“负温”的来源。
但是这时候其实负温物质的能量比无穷大正温更高,不是真的低于绝对零度。一个正温物体与一个负温物体接触时,热量是从负温传递到正文,一个+100K的物体跟一个-100K的物体接触后,两者的均衡温度不是0K而是∞K。
如果要给出一个温度从低到高的分布的话,在热力学温标下是这样的:
+0 K < +100 K< + ∞ K = - ∞ K < -100 K < -0 K
+0K是温度的最低值,-0K是温度的最高值。

这篇paper所做的事情,其实就是在正常的温度分布中,通过瞬间对调高低能级(磁场方向对调),使得处于高能级的粒子数超过了50%,从而实现了负温(即温度-能级分布对应公式中,温度的符号变成了负号)。他们厉害的一点,是通过激光(题外话,当年丁肇中就是凭借发明这一技术而获得了诺奖)暂时阻止了粒子从高能级跃迁到低能级,从而使得负温状态保持了一段时间。


另外,热力学第三定律的本质是说:物质粒子不可能绝对静止。
而负温的时候物质粒子不但没有静止,反而运动的更剧烈了,所以与热力学第三定律并不冲突。

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大阿哥高分子材料专业本科生

2013-01-04 13:57

热力学第三定律规定:绝对零度不可达到


注意,是不可达到,不是不可超越


所以,开尔文温度是可以出现负值的。


当然,这个温度跟我们通常理解的温度并不是一个意思。不管有没有学过量子力学,大家一般都知道原子外电子的轨道有不同能级,最低级叫基态,其他能级叫激发态。在通常状态下,一团原子中电子处于基态的原子是最多的,激发态的非常少。而处于不同状态(基态,激发态)的原子数量的分布是符合波尔兹曼分布的,这个分布与温度有关。


也就是说,通过观察各种状态的原子数量分布,可以计算出温度。


当温度取负值的时候,处于基态的原子数量会远远小于处于激发态原子的数量。所以只要让大量原子被激发,就可以认为实现了负温度。


所以可以用激光技术来实现这个“负温度”。



更详细,专业的分析可以参考
http://www.guokr.com/post/423358/

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潜龙勿用车辆工程硕士生

2013-01-04 12:19

记得大物课本提到过负温度,好像是在受激辐射里的,温度实际上极高

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高中有个老师和我们说可以低于绝对零度,貌似要从很高的温度过去

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约定之守护泛物理学爱好者 凝聚态在读

2013-01-05 02:27
支持者: lyounger

其实就是粒子数反转嘛。。。没什么稀奇

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只是为了表述方便而已: 其实负温度是比无穷K 更高的温度,而不是一个很低的温度 :D

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只是分布与温度的关系和以前相反了。

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tensorspace能源工程硕士,油藏工程师

2013-01-04 15:50

楼上正解。在热力学里面,温度可以定义为熵对热量的微分,所以负温度是可以存在的,当年学统计力学的时候还算过类似的问题。

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绝对零度(absolute zero)是热力学的最低温度,但此为仅存于理论的下限值。热力学温标的单位是开尔文(K),绝对零度就是开尔文温度标定义的零点。0K等于摄氏温标零下273.15度。物质的温度取决于其内原子、分子等粒子的动能。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布,粒子动能越高,物质温度就越高。理论上,若粒子动能低到量子力学的最低点时,物质即达到绝对零度,不能再低。然而,绝对零度永远无法达到,只可无限逼近。因为任何空间必然存有能量和热量,也不断进行相互转换而不消失。所以绝对零度是不存在的,除非该空间自始即无任何能量热量。

假设存在0K,假设存在负温度,那么根据第二定律0K要向负温度热传递。有意义吗?因此假设不成立。除非你先证伪第二定律…

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以前老师讲,绝对零度不可能达到,看来是错的了?

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孤獨的觀測者电影媒体人、中二程序猿

2013-01-04 12:10

意思是现有绝对零度标准并非真正的绝对零度。。。。

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灰太娘医学学士(药学专业) 文物与博物馆学硕士 葡萄酒...

2013-01-08 10:26

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