絕對零度其中h為普朗克常數(shù)、m為粒子的質(zhì)量、k為玻爾茲曼常量、T為絕對溫度?？梢姛岬虏悸逡敛ㄩL與絕對溫度的平方根成反比，因此當(dāng)溫度很低的時候，粒子物質(zhì)波的波長很長，粒子與粒子之間的物質(zhì)波有很大的重疊，因此量子力學(xué)的效應(yīng)就會變得很明顯。著名的現(xiàn)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(dāng)時溫度僅有開爾文。
①在中學(xué)階段，對于熱力學(xué)溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)間的換算，是取近似值T(K)=t(℃)+273。實際上，如以水的冰點為標(biāo)準(zhǔn)，絕對零度應(yīng)比它低273.15℃所以精確的換算關(guān)系應(yīng)該是T(K)=t(℃)+273.15。
②絕對零度是根據(jù)理想氣體所遵循的規(guī)律（即理想氣體狀態(tài)方程，pV=mRT/M=mrT,r=R/M），用外推的方法得到的。用這樣的方法，當(dāng)溫度降低到-273.15℃時，氣體的體積減小到零。如果從分子運動論的觀點出發(fā)，理想氣體分子的平均平動動能由溫度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，表現(xiàn)出明顯的量子特性，這時氣體早已變成液態(tài)或固態(tài)?？傊?，氣體分子的運動已不再遵循經(jīng)典物理的熱力學(xué)統(tǒng)計規(guī)律。通過大量實驗以及經(jīng)過量子力學(xué)修正后的理論導(dǎo)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(shù)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(gòu)成物質(zhì)的所有分子和原子均停止運動。所謂運動，系指所有空間、機(jī)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(xué)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(zhì)來看，絕對零度是不可能在任何實驗中達(dá)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(zhì)的大部分與溫度有關(guān)的性質(zhì)。正如一條直線僅由兩點連成的一樣，一種溫標(biāo)是由兩個固定的且可重復(fù)的溫度來定義的。最初，在一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(760毫米水銀柱，或760托)時，攝氏溫標(biāo)是定冰之熔點為0℃和水之沸點為100℃，絕對溫標(biāo)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(dǎo)致溫度的不一致，因為科學(xué)家希望這兩種溫標(biāo)的度數(shù)大小相等，所以，每當(dāng)進(jìn)行關(guān)于這三點的相互關(guān)系的準(zhǔn)確實驗時，總是其中一點的數(shù)值改變達(dá)百分之一度。，僅有一固定點獲得國際承認(rèn)，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(dāng)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(biāo)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(biāo))的實際值，以及在實驗室中為準(zhǔn)確地獲得這些值的度量方法，均由國際權(quán)度委員會定期公布。
科學(xué)家在對絕對零度的研究中，發(fā)現(xiàn)了一些奇妙的現(xiàn)象。如氦本是氣體（氦是自然界中最難液化的物質(zhì)），在-268.9℃時變成液體，當(dāng)溫度持續(xù)降低時，原本裝在瓶子里的液體，卻輕而易舉地從只有0.01毫米的縫隙中，很容易地溢到瓶外去了，繼而出現(xiàn)了噴泉現(xiàn)象，液體的粘滯性也消失了。
絕對零度物體的溫度實際上就是原子在物體內(nèi)部的運動。當(dāng)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(dāng)我們感到一個物體比較冷的時候，則意味著其內(nèi)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(xué)家則是絕對溫標(biāo)或稱開爾文溫標(biāo)來測量溫度的。
按照這種溫標(biāo)測量溫度，絕對溫度零度（0K）相當(dāng)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(xué)家馬克斯·普朗克引入的了普朗克常數(shù)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(shù)，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(guān)系)。那么當(dāng)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(jié)論，絕對零度是不可以達(dá)到的。
自然界最冷的地方是在回力棒星云。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，成為“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℃)攝氏度高1度多。 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(jù)之一。
事實上，在這樣的非常溫度下，物質(zhì)呈現(xiàn)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(xiàn)為一個單一的實體。
19世紀(jì)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(zhì)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(guān)，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(jì)50年代，物理學(xué)家在研究中遇到了更多反常的物質(zhì)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)這一理論并不完全正確。
在正常溫度下，這種逆轉(zhuǎn)是不穩(wěn)定的，原子會 向內(nèi)坍塌。他們也同時調(diào)整勢阱激光場，增強(qiáng)能量將原子穩(wěn)定在原位。
現(xiàn)任美國麻省理工大學(xué)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)在正溫度下很難產(chǎn)生，而在負(fù)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?fù)?dān)心它會倒?！笨颂乩罩赋?，該技術(shù)使人們能詳細(xì)研究這些反常高能態(tài)，“也可能成為創(chuàng)造新物質(zhì)形式的一條途徑。”
1848年，英國科學(xué)家勛爵（1824～1907）建立了一種新的溫度標(biāo)度，稱為絕對溫標(biāo)，它的量度單位稱為開爾文（K）。這種標(biāo)度的分度距離同攝氏溫標(biāo)的分度距離相同。它的零度即可能的最低溫度，相當(dāng)于零下273攝氏度（精確數(shù)為-273.15℃），稱為絕對零度。因此，要算出絕對溫度只需在攝氏溫度上再加273即可。那時，人們認(rèn)為溫度永遠(yuǎn)不會接近于0（K），科學(xué)家卻已經(jīng)非常接近這一極限了。
低溫下超導(dǎo)體產(chǎn)生的磁浮現(xiàn)象物體的溫度實際上就是原子在物體內(nèi)部的運動。當(dāng)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(dāng)我們感到一個物體比較冷的時候，則意味著其內(nèi)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(xué)家則是絕對溫標(biāo)或稱開爾文溫標(biāo)來測量溫度的。
按照這種溫標(biāo)測量溫度，絕對溫度零度（0K）相當(dāng)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(xué)家馬克斯·普朗克引入的了普朗克常數(shù)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(shù)，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(guān)系)。那么當(dāng)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(jié)論，絕對零度是不可以達(dá)到的。
自然界最冷的地方不是冬季的南極，而是在布莫讓星云。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，成為“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℃)攝氏度高1度多。 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(jù)之一。布莫讓星云
在實驗室中人們可以做得更好，能進(jìn)一步地接近于絕對零度，從上個世紀(jì)開始，人們就已經(jīng)制成了能達(dá)到3K的制冷系統(tǒng)，并且在10多年前，在實驗室里達(dá)到的最低溫度已是絕對零度之上1/4度了，后來在1995年，科羅拉多大學(xué)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所的兩位物理學(xué)家愛里克·科內(nèi)爾和卡爾威曼成功地使一些銣原子達(dá)到了令人難以置信的溫度，即達(dá)到了絕對零度之上的十億分之二十度（2×10^-8 K）。他們利用激光束和“磁陷阱”系統(tǒng)使原子的運動變慢，我們由此可以看到，熱度實際上就是物質(zhì)的原子運動。非常低的溫度是可以達(dá)不到的，而且還要以尋求“阻止”每一單個原子運動，就像打臺球一樣，要使一個球停住就要用另一個球去打它。弄明白這個道理，只要想一想下面這個事實就夠了。在常溫下，氣體的原子以每小時1600公里的速度運動著，而在3K的溫度下則是以每小時1米的速度運動著，而在20nK（2×10^-8 K）的情況下，原子運動的速度就慢得難以測量了。在20nK下還可以發(fā)現(xiàn)物質(zhì)呈現(xiàn)的新狀態(tài)，這在70年前就被愛因斯坦和印度物理學(xué)家玻色（1894～1974）預(yù)見了。而目前實驗室已獲最低溫度為2.4×10^-11 K。
事實上，在這樣的非常溫度下，物質(zhì)呈現(xiàn)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(xiàn)為一個單一的實體。
19世紀(jì)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(zhì)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(guān)，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(jì)50年代，物理學(xué)家在研究中遇到了更多反常的物質(zhì)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)這一理論并不完全正確。
慕尼黑路德維格·馬克西米利安大學(xué)物理學(xué)家烏爾里奇·施奈德解釋說，從技術(shù)上講，人們能從一條溫度曲線上讀出一系列溫度數(shù)，但這些數(shù)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(shù)粒子在更高能態(tài)上下。理論上，如果這種位置倒轉(zhuǎn)，使多數(shù)粒子處于高能態(tài)而少數(shù)粒子在低能態(tài)，溫度曲線也會反過來，溫度將從正到負(fù)，低于絕對零度。2001年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者沃爾夫?qū)た颂乩?/a>也曾證明，在磁場系統(tǒng)中存在負(fù)絕對溫度。
在正溫度下，這種逆轉(zhuǎn)是不穩(wěn)定的，原子會 向內(nèi)坍塌。他們也同時調(diào)整勢阱激光場，增強(qiáng)能量將原子穩(wěn)定在原位。
克特勒現(xiàn)任美國麻省理工大學(xué)物理教授，他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)在正溫度下是很難產(chǎn)生的，而在負(fù)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?fù)?dān)心它會倒。”克特勒指出，該技術(shù)使人們能詳細(xì)研究這些反常高能態(tài)，“也可能成為創(chuàng)造新物質(zhì)形式的一條途徑。”
德國科隆大學(xué)理論物理學(xué)家阿希姆·羅施說，如果真能造出這些物質(zhì)系統(tǒng)，它們會表現(xiàn)出奇特的行為。根據(jù)和他的同事計算，正常情況下原子云受重力影響會被向下拉，如果一部分云處于負(fù)絕對溫度，某些原子就會向上運動，明顯違背重力作用。
負(fù)絕對溫度氣體還能模擬“暗能量”。暗能量是推動宇宙加速膨脹、抵抗萬有引力內(nèi)向拉力的力量。施奈德指出，在他們生成的氣體中，相互吸引的原子也有向內(nèi)坍塌趨勢，但負(fù)絕對溫度卻能遏制它們向內(nèi)運動而保持穩(wěn)定。這種宇宙中普遍存在的奇特現(xiàn)象如今也能在實驗室看到，值得宇宙學(xué)家進(jìn)一步研究。
在絕對零度下，任何能量都應(yīng)消失?？删褪窃诮^對零度下，依然有一種能量存在，這就是真空零點能。
真空零點能，因在絕對零度下發(fā)現(xiàn)粒子的振動而得名。這是量子真空中所蘊(yùn)藏著的巨大本底能量。海森堡不確定性原理指出：不可能同時以較高的精確度得知一個粒子的位置和動量。因此，當(dāng)溫度降到絕對零度時粒子必定仍然在振動；否則，如果粒子完全停下來，那它的動量和位置就可以同時精確的測知，而這是違反測不準(zhǔn)原理的。這種粒子在絕對零度時的振動（零點振動）所具有的能量就是零點能。
量子真空是沒有任何實物粒子的物質(zhì)狀態(tài)，其場的總能量處于最低，這是一切物質(zhì)運動及能量場的最初始狀態(tài)，它的溫度自然處于絕對零度。這樣的狀態(tài)具有無限變化的潛在能力。零點能就是由（量子真空中）虛粒子，不斷產(chǎn)生的一對反粒子的出現(xiàn)和湮滅產(chǎn)生的。據(jù)推測，量子真空中，每立方厘米包含的能量密度有焦耳。
從理論上看，真空能量以粒子的形態(tài)出現(xiàn)，并不斷以微小的規(guī)模形成和消失。真空中充滿著幾乎各種波長的粒子，但卡西米爾認(rèn)為，如果使兩個不帶電的金屬薄盤緊緊靠在一起，較長的波長就會被排除出去。接著，金屬盤外的其他波就會產(chǎn)生一種往往使它們相互聚攏的力，金屬盤越靠近，兩者之間的吸引力就越強(qiáng)。1996 年，物理學(xué)家首次對這種所謂的卡西米爾效應(yīng)進(jìn)行了測定。這是證明真空零點能存在的確鑿證據(jù)。
由德國、美國、奧地利等國科學(xué)家組成的一個國際科研小組在實驗室內(nèi)創(chuàng)造了僅僅比絕對零度高0.5納開爾文的溫度紀(jì)錄，而此前的紀(jì)錄是比絕對零度高3納開。這是人類歷史上首次達(dá)到絕對零度以上1納開以內(nèi)的極端低溫。
這個科研小組在美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文介紹說，他們是在利用磁阱技術(shù)實現(xiàn)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(jì)錄的。參與研究的科學(xué)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。
絕對零度玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)是物質(zhì)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(xiàn)物質(zhì)的該狀態(tài)一方面需要達(dá)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(xué)家朱棣文曾因發(fā)明了激光冷卻和磁阱技術(shù)制冷法而與另兩位科學(xué)家分享了1997年的諾貝爾物理學(xué)獎。
科學(xué)家說，他們希望利用新達(dá)到的最低溫度發(fā)現(xiàn)一些物質(zhì)的新現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)狀態(tài)而獲得了2001年諾貝爾物理學(xué)獎的德國科學(xué)家沃爾夫?qū)た颂乩?/a>評價說，首次達(dá)到絕對零度以上1納開以內(nèi)的溫度是人類歷史上的一個里程碑。
科學(xué)家稱這一成果為“實驗的絕技”，為造出負(fù)溫度物質(zhì)、新型量子設(shè)備打開了大門，有助于揭開宇宙中的許多奧密。
施奈德和同事用鉀原子超冷量子氣體實現(xiàn)了這種負(fù)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換，使原子還來不及反應(yīng)，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(dá)到的最高能態(tài)。就像你正在過山谷，突然發(fā)現(xiàn)已在山峰。”
在正溫度下，這種逆轉(zhuǎn)是不穩(wěn)定的，原子會向內(nèi)坍塌。他們也同時調(diào)整勢阱激光場，增強(qiáng)能量將原子穩(wěn)定在原位。這樣的結(jié)果是。這樣一來，氣體就實現(xiàn)了從高于絕對零度到低于絕對零度的轉(zhuǎn)變，約在負(fù)十億分之幾開氏度。
這項研究已經(jīng)被發(fā)表在很多自然科學(xué)雜志上，這是人類在物理學(xué)上的重大突破，許多科學(xué)家表示這為發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)——暗物質(zhì)提供了一條路徑。
