绝对零度为什么不可能达到

温度是研究热现象的基本物理量，也是一个跟人们日常生活密切相关的物理量。从宏观角度讲，温度表示物体的冷热程度，所以人们每天会根据天气预报的温度决定穿衣服的多少和厚薄。从微观角度讲，温度表示物体内分子无规则运动的剧烈程度，温度越高，分子运动越剧烈。那么温度这个量有没有取值范围呢？

物理学的研究结果是这样回答的：温度这个量，上无顶，下有底！上无顶，也就是温度多高都有可能，如地球表面附近的气温通常是几十摄氏度，而太阳表面温度约5500℃，中心温度高达 2000万℃。质量比太阳大的恒星，其温度将会更高。下有底，也就是温度不是要多低有多低，可以无限地低下去的，最低不能低到-273.15℃，如果转换为热力学温标的话，-273.15℃就是0K，也叫绝对零度。这是低温的极限，也就是说，绝对零度不可能达到。这是为什么呢？

绝对零度 由何而来

要回答这个问题，我们首先要了解一下绝对零度是怎么来的。绝对零度是根据理想气体所遵循的规律，用外推的方法得到的。

1802年，法国科学家盖·吕萨克在研究气体体积与温度之间的关系时，将一定质量的气体封闭，同时保持气体压强不变，然后改变气体的温度，并记录与温度相对应的体积，研究后发现：一定质量的气体，当压强保持不变时，它的体积 V 随温度 t 线性地变化，即V＝V0(1＋ at)。这就是盖·吕萨克定律式。其中V0、V分别是0℃和 t℃时气体的体积；a是压强不变时气体的体积膨胀系数。实验测定，a为1/273.15。这个规律可以用图1所示的图像表示。

图1不仅形象地给出了一定质量的气体，在压强不变时体积与温度的关系，还得到了一个意味深长的数据，就是-273.15。它的物理意义是：在气体的温度降低到该值时，体积将减小到零！1848年，英国物理学家开尔文将这个温度值规定为绝对零度，作为绝对温标（也叫热力学温标）的起点。这样，如果将图1中横坐标的摄氏温度t改为绝对温度T，坐标的原点要向左移动273.15个单位，便得到了图2所示的正比例函数，显然用绝对温度表示的盖·吕萨克定律更加简洁。

这里再次强调，图像与横轴的交点是外推得到的，并非根据实验数据描点得到的，为了体现这一点，在图像靠近绝对零度的地方，我们特地画成虚线。用这样外推方法，不仅得到当绝对温度T降到绝对零度时，气体的体积将减小到零，而且从分子运动论的观点出发，理想气体分子的平均平动动能由绝对温度T确定（可以证明是正比关系），那么也可以把绝对零度说成是气体分子停止运动时的温度。显然，以上两种说法都只是一种理想的推理，事实上一切实际气体在温度接近-273.15℃之前，早已变成液态或固态。而且分子的运动已不再遵循经典物理的热力学统计规律，将表现出明显的量子特性，此时对分子行为的描述必须要用“量子力学”这门更为高深的学问了。通过大量实验以及经过量子力学修正后的理论可以导出，在接近绝对零度的地方，分子的动能趋于一个固定值，这个极值被叫做零点能量。也就是说即使到达了绝对零度，分子的能量并不为零，而是具有一个很小的数值。此时全部粒子都处于可能有的最低能量状态，这个状态叫做基态。

至此，关于绝对零度为什么不能到达的道理已经基本上讲清楚了。既然理论和实验都证明绝对零度不可能达到，就说明这是一条客观规律，在物理学中把这条规律叫做热力学第三定律。

低温物理 寻寻觅觅

绝对零度虽然不可能达到，但物理学家对低温的“追求”却从未停止过，他们用各种方法降低实验环境中的温度，从而研究物质在极低温度下的行为。物理学现在已经形成了一个新分支——低温物理学：研究物质在低温下的物理现象的学科，有时也包括低温的获得和它的测量技术。1995年朱棣文等利用激光冷却的方法获得目前为止实验室内达到的最低温度，即2.4×10-11K，这已非常接近绝对零度了。

实验室里，科学家们想方设法逼近绝对零度，那么在自然界中温度最低能低到多少呢？我们地球上温度最低的地方是冬季的南极。但这还不算冷，在距地球5000光年的布莫让星云，那里的温度为-272℃，仅仅比绝对零度高1℃多，是目前所知自然界中最寒冷的地方，有“宇宙冰盒子”之称。 那么，布莫让为何如此寒冷？有一种解释是：当气体快速膨胀时，其内能要急剧减少，温度急剧降低。布莫让星云是由气体和尘埃组成的云团，云团是从一颗正在死亡的恒星中以大于150千米/秒的速度喷溅出来的，这个快速膨胀的过程导致了布莫让星云急剧变冷。

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