為什么我們想要逼近絕對零度？熱力學(xué)極限與低溫終點

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2025-08-08 18:08:07 中國物理學(xué)會期刊網(wǎng)

熱力學(xué)第一定律和第二定律告訴了人們應(yīng)該如何制冷，而熱力學(xué)第三定律則為制冷的范圍設(shè)定了一個極限。如果絕對零度無法達(dá)到，那么低溫物理學(xué)的存在是否還有意義？筆者認(rèn)為，1mK以上的低溫環(huán)境在過去百年間已給人們帶來足夠多的物理現(xiàn)象，我們沒有道理去擔(dān)心更低的溫度不會持續(xù)帶來驚喜。

因為絕對零度的存在，任何降溫方式的制冷能力在零溫極限下都將趨于零，而幸好因為絕對零度的存在，宏觀物體的比熱在零溫極限下也將趨于零。從這個意義上講，一步步嘗試獲得溫度更低的制冷環(huán)境是一條越來越難，卻又值得去開拓的可行科研路徑。

熱力學(xué)第三定律

熱力學(xué)自建立以來一直是一個理解物性隨溫度變化的有力工具。熱力學(xué)第一定律為我們提供了自然規(guī)律的一條邊界：只有能量守恒的過程才能發(fā)生；熱力學(xué)第二定律告訴我們另一個邊界：實際發(fā)生的熱過程不可逆，時間有方向；熱力學(xué)第三定律則告訴我們第三個邊界：絕對零度無法獲得。

1702年，阿蒙東預(yù)測過絕對零度的存在，他測量了空氣壓強隨溫度下降而下降的關(guān)系，因為壓強最終只能降到零，所以他判斷存在一個氣體無法逾越的極限溫度。這樣的絕對零度的概念已經(jīng)體現(xiàn)在開爾文等人建立的熱力學(xué)溫標(biāo)之中了。20世紀(jì)初期，能斯特在探索低溫化學(xué)反應(yīng)的方向時總結(jié)了熱力學(xué)第三定律。量子力學(xué)出現(xiàn)之后，玻色—愛因斯坦凝聚和電子比熱等結(jié)論都支持第三定律。

在能斯特和其他人關(guān)于熱力學(xué)第三定律的表述中，一種說法是絕對零度可以逼近但無法到達(dá)。這個規(guī)律在人類嘗試降溫的過程中已經(jīng)有所體現(xiàn)，雖然它的成立無法通過實驗驗證。即使熱力學(xué)第三定律沒有被總結(jié)出來，任何一個在極低溫參數(shù)空間邊界嘗試挑戰(zhàn)極限的科研人員都不該相信自己可以獲得絕對零度，因為每個人都會面臨如何處理漏熱的現(xiàn)實問題。換句話說，不論熱力學(xué)第三定律是否出現(xiàn)，都不太可能改變當(dāng)年一批低溫科研人員對降溫的學(xué)術(shù)興趣。從數(shù)學(xué)處理上，人們把絕對零度作為極限，用對數(shù)尺度而不是線性尺度去看待逼近絕對零度的降溫過程永無止境，從概念上理解這個降溫之路咫尺天涯，也不是什么新鮮的做法。熱力學(xué)第三定律的另一種表述是絕對零度時的熵為零。

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