絕對零度（英文：The Absolute Zero），是熱力學的最低溫度，熱力學溫標的單位是K（開爾文），絕對零度就是0K（約為-273.15℃或-459.67℉）。在此溫度下，物體分子沒有動能，但仍然存在勢能，此時內能為最小值。然而，絕對零度在現實中是無法達到的，只是理論的下限值。

中文名 絕對零度

外文名 absolute zero

表達式 T(K)=t(℃)+273.15

提出者 威廉·湯姆遜·開爾文

提出時間 1848年

適用領域 冷原子實驗室

應用學科 物理

具體攝氏溫度 約等于零下273.15攝氏度

具體華氏溫度 約等于零下459.67華氏度

詳細內容

絕對零度（absolute zero）是熱力學的最低溫度，是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度。絕對零度是僅存于理論的下限值，其熱力學溫標寫成K，等于攝氏溫標-273.15℃。

物質的溫度取決于其內原子、分子等粒子的平均動能。根據麥克斯韋-玻爾茲曼分布，粒子平均動能越高，物質溫度就越高。理論上，若粒子平均動能低到量子力學的最低點時，物質即達到絕對零度，不能再低。然而，根據熱力學第三定律，絕對零度永遠無法達到，只可無限接近。因為任何空間必然存有能量和熱量，也不斷進行相互轉換而不消失。所以絕對零度是不存在的，除非該空間自始即無任何能量熱量。在此一空間，所有物質完全沒有粒子振動，并且其總體積為零。

有關物質接近絕對零度時的行為，可初步觀察熱德布洛伊波長（Thermal de Broglie wavelength）。其中h為普朗克常數、m為粒子的質量、k為玻爾茲曼常量、T為絕對溫度。可見熱德布洛伊波長與絕對溫度的平方根成反比，因此當溫度很低的時候，粒子物質波的波長很長，粒子與粒子之間的物質波有很大的重疊，因此量子力學的效應就會變得很明顯。著名的現象之一就是玻色-愛因斯坦凝聚，玻色-愛因斯坦凝聚在1995年首次被實驗證實，當時溫度僅有170*10^(-9)開爾文。

①在中學階段，對于熱力學溫標和攝氏溫標間的換算，是取近似值T(K)=t(℃)+273；溫度改變1K=1℃ [2] 。實際上，如以水的冰點為標準，絕對零度應比它低273.15℃所以精確的換算關系應該是T(K)=t(℃)+273.15。

②絕對零度是根據理想氣體所遵循的規(guī)律（即理想氣體狀態(tài)方程，，），用外推的方法得到的。用這樣的方法，當溫度降低到-273.15℃時，氣體的體積或壓強將減小到零。如果從分子運動論的觀點出發(fā)，理想氣體分子的平均動能由溫度T確定，那么也可以把絕對零度說成是“理想氣體分子停止運動時的溫度”。以上兩種說法都只是一種理想的推理。事實上一切實際氣體在溫度接近-273.15℃時，將表現出明顯的量子特性，這時氣體早已變成液態(tài)或固態(tài)。總之，氣體分子的運動已不再遵循經典物理的熱力學統(tǒng)計規(guī)律。通過大量實驗以及經過量子力學修正后的理論導出，在接近絕對零度的地方，分子的動能趨于一個固定值，這個極值被叫做零點能量。這說明絕對零度時，分子的能量并不為零，而是具有一個很小的數值。原因是，全部粒子都處于能量可能有的最低的狀態(tài)，也就是全部粒子都處于基態(tài)。

③由于水的三相點溫度是0.0076℃，因此絕對零度比水的三相點溫度低273.16℃。

絕對零度表示那樣一種溫度，在此溫度下，構成物質的所有分子和原子均停止運動。所謂運動，是指所有空間、機械、分子以及振動等運動。還包括某些形式的電子運動，然而它并不包括量子力學概念中的“零點運動”。除非瓦解運動粒子的集聚系統(tǒng)，否則就不能停止這種運動。從這一定義的性質來看，絕對零度是不可能在任何實驗中達到的這些運動是肉眼看不見的，但是我們會看到，它們決定了物質的大部分與溫度有關的性質。正如一條直線僅由兩點連成的一樣，一種溫標是由兩個固定的且可重復的溫度來定義的。最初，在一標準大氣壓(760毫米水銀柱，或760托)時，攝氏溫標是定冰之熔點為0℃和水之沸點為100℃，絕對溫標是定絕對零度為0K和冰之熔點為273K，這樣，就等于有三個固定點而導致溫度的不一致，因為科學家希望這兩種溫標的度數大小相等，所以，每當進行關于這三點的相互關系的準確實驗時，總是將其中一點的數值改變達百分之一度。僅有一固定點獲得國際承認，那就是水的“三相點”。1948年確定為273.16K，即絕對零度以上273．16度。當蒸氣壓等于一大氣壓時，水的正常冰點略低，為273．15K(=0℃=32°F)，水的正常沸點為373.15K(=100℃=212°F)。這些以攝氏溫標表示的固定點和其他一些次要的測溫參考點(即所謂的國際實用溫標)的實際值，以及在實驗室中為準確地獲得這些值的度量方法，均由國際權度委員會定期公布。

科學家在對絕對零度的研究中，發(fā)現了一些奇妙的現象。如氦本是氣體（氦是自然界中最難液化的物質），在-268.9℃時變?yōu)槌簯B(tài)，當溫度持續(xù)降低時，原本裝在瓶子里的液體，輕而易舉地從只有0.01毫米的縫隙中，溢到了瓶外，繼而出現噴泉現象，液體的粘滯性也消失了。

物體的溫度實際上就是原子在物體內部的運動。當我們感到一個物體比較熱的時候，就意味著它的原子在快速運動：當我們感到一個物體比較冷的時候，則意味著其內部的原子運動速度較慢。我們的身體是通過熱或冷來感覺這種運動的，而物理學家則是絕對溫標或稱開爾文溫標來測量溫度的。

按照這種溫標測量溫度，絕對溫度零度（0K）相當于攝氏零下273.15度（-273.15℃）被稱為“絕對零度”，是自然界中可能的最低溫度。在絕對零度下，原子的運動完全停止了，那么就意味著我們能夠精確地測量出粒子的速度(0)。然而1890年德國物理學家馬克斯·普朗克引入的了普朗克常數表明這樣一個事實：粒子的速度的不確定性、位置的不確定性的乘積一定不能小于普朗克常數，這是我們生活著的宇宙所具有的一個基本物理定律(海森堡不確定關系)。那么當粒子處于絕對零度之下，運動速度為零時，與這個定律相悖，因而我們可以在理論上得出結論，絕對零度是不可以達到的。

事實上，在這樣的非常溫度下，物質呈現的既不是液體狀態(tài)，也不是固體狀態(tài)，更不是氣體狀態(tài)，而是聚集成唯一的“超原子”，它表現為一個單一的實體。

19世紀中期，開爾文男爵威廉·湯姆森定義了絕對溫度，在此規(guī)定下沒有物質的溫度能低于絕對零度。氣體的絕對溫度與它所包含粒子的平均能量有關，溫度越高，平均能量越高，而絕對零度是氣體的所有粒子能量都為零的狀態(tài)，這是一種理想的理論狀態(tài)。到了上世紀50年代，物理學家在研究中遇到了更多反常的物質系統(tǒng)，發(fā)現這一理論并不完全正確。

在正常溫度下，這種逆轉是不穩(wěn)定的，原子會向內坍塌。他們也同時調整勢阱激光場，增強能量將原子穩(wěn)定在原位。

現任美國麻省理工大學物理教授科特勒稱此最新成果為一項“實驗的絕技”。在實驗室里，反常高能態(tài)在正常溫度下很難產生，而在負絕對溫度下卻會變得穩(wěn)定——“就像你能把一個金字塔倒過來穩(wěn)穩(wěn)的放著，而不必擔心它會倒?！笨颂乩罩赋?，該技術使人們能詳細研究這些反常高能態(tài)，“也可能成為創(chuàng)造新物質形式的一條途徑。”

創(chuàng)造發(fā)現

逼近技術溫度紀錄

和外太空宇宙背景輻射的 3K 溫度做比較，實現玻色-愛因斯坦凝聚的溫度170*10^(-9)K 遠小于 3K，可是在實驗上要實現玻色-愛因斯坦凝聚是非常困難的。要制造出如此極低的溫度環(huán)境，主要的技術是鐳射（激光）冷卻和蒸發(fā)冷卻。

由德國、美國、奧地利等國科學家組成的一個國際科研小組在實驗室內創(chuàng)造了僅僅比絕對零度高0.5納開爾文的溫度紀錄，而此前的紀錄是比絕對零度高3納開。這是人類歷史上首次達到絕對零度以上1納開以內的極端低溫。

這個科研小組在美國《科學》雜志上發(fā)表論文介紹說，他們是在利用磁阱技術實現銫原子的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC)的實驗過程中創(chuàng)造這一紀錄的。參與研究的科學家大衛(wèi)·普里查德介紹說，將氣體冷卻到極端接近絕對零度的條件對于精確測量具有重要意義，他們的此次實驗成果有助于制造更為精確的原子鐘和更為精確地測定重力等。

玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)是物質的一種奇特的狀態(tài)，處于這種狀態(tài)的大量原子的行為像單個粒子一樣。這里的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài)。要實現物質的該狀態(tài)一方面需要達到極低的溫度，另一方面還要求原子體系處于氣態(tài)。華裔物理學家朱棣文曾因發(fā)明了激光冷卻和磁阱技術制冷法而與另兩位科學家分享了1997年的諾貝爾物理學獎。

科學家說，他們希望利用新達到的最低溫度發(fā)現一些物質的新現象，諸如在此低溫下原子在同一物體表面的狀態(tài)、在限定運動通道區(qū)域時的運動狀態(tài)等。因發(fā)現了“堿金屬原子稀薄氣體的玻色-愛因斯坦凝聚”這一新的物質狀態(tài)而獲得了2001年諾貝爾物理學獎的德國科學家評價說，首次達到絕對零度以上1納開以內的溫度是人類歷史上的一個里程碑。

慕尼黑路德維格·馬克西米利安大學物理學家烏爾里奇·施奈德解釋說，從技術上講，人們能從一條溫度曲線上讀出一系列溫度數，但這些數字表示的只是它所含的粒子處于某個能量狀態(tài)的概率。通常，大部分粒子的能態(tài)處于平均或接近平均水平，只有少數粒子在更高能態(tài)上下。理論上，如果這種位置倒轉，使多數粒子處于高能態(tài)而少數粒子在低能態(tài)，溫度曲線也會反過來，溫度將從正到負，低于絕對零度。2001年諾貝爾物理學獎獲得者沃爾夫岡·克特勒也曾證明，在磁場系統(tǒng)中存在負絕對零度。

施奈德和同事用鉀原子超冷量子氣體實現了這種負絕對零度。他們用激光和磁場將單個原子保持晶格排列。在正溫度下，原子之間的斥力使晶格結構保持穩(wěn)定。然后他們迅速改變磁場，使原子變成相互吸引而不是排斥。施奈德說：“這種突然的轉換，使原子還來不及反應，就從它們最穩(wěn)定的狀態(tài)，也就是最低能態(tài)突然跳到可能達到的最高能態(tài)。就像你正在過山谷，突然發(fā)現已在山峰?！?/p>

在正溫度下，這種逆轉是不穩(wěn)定的，原子會向內坍塌。他們也同時調整勢阱激光場，增強能量將原子穩(wěn)定在原位。這樣的結果是，這樣一來氣體就實現了從高于絕對零度到低于絕對零度的轉變，約在負十億分之幾開氏度。

這項研究已經被發(fā)表在很多自然科學雜志上，這是人類在物理學上的重大突破，許多科學家表示這將為發(fā)現新的物質------暗物質提供了一條路徑。

最冷之地

智利天文學家發(fā)現了宇宙最冷之地，這個宇宙最冷之地就叫做“回力棒星云”，那里的溫度為零下272攝氏度，是目前所知自然界中最寒冷的地方，稱為“宇宙冰盒子”。事實上，布莫讓星云的溫度僅比絕對零度(零下273.15℃)高將近1度。這個“熱度”（因為實際上我們談到的溫度總是在絕對零度之上）是作為宇宙起源的大爆炸留存至今的熱度，事實上，這是證明大爆炸理論最顯著有效的證據之一。

——參考資料：

1. 天文學家捕捉到宇宙中最寒冷的角落 零下272度．騰訊太空．2016-4-5

2. 王安蓉，劉定興，鄒星．大學物理簡明教程 下[M]：華中科技大學出版社，2017：35