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经过100年的争论, 物理学家终于在数学上否决了绝对零度的存在

经过100年的争论, 物理学家终于在数学上否决了绝对零度的存在

这是一个长达100多年的争论,参与其中的不乏创造过奇迹的物理学家,连爱因斯坦也曾参与其中。而最近,物理学家们终于结束了这个百年辩论——他们最终通过数学证明了热力学第三定律的正确,结束了人类常年来对其定律的模糊理解。

热力学第三定律里指出,在一个系统中的无序度(熵)不可能是0,因而“绝对零度”(-273℃或0K)是不可能达到的。

我们都知道光速是宇宙中最快的速度,爱因斯坦的相对论指出,任何有质量的物质只能无限接近光速而无法达到光速,因为随着速度的增加其动质量也会增加,无限接近光速意味着无穷大的质量,自然不会凭空出现无穷大的能量去推动。

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绝对零度与光速一样,同为宇宙间的极限数字,是“造物者”(或者外星人)用来限制宇宙间物质行为的手段。

与“光速不可达到不可逾越”,科学家们早就怀疑,在宇宙中必然有一个存在于冷却行为的“速度限制”机制,这套机制就像阻止我们达到光速一样阻止我们达到绝对零度。但长期以来,科学家们并未弄清楚“速度限制”背后的真实原理。

不过事情似乎有了转机。

在最近出版的《自然通讯》杂志上刊登了一篇文章,该文旨在利用量子力学手段解决这个百年难题。这篇文章来源于伦敦大学,其物理学家成功定义了“冷却速度限制”,以防绝对零度的出现。

在实验中科学家发现,不可能使用有限的资源将某一封闭的系统冷却至绝对零度,以此为论据,科学家认为,在有限时间内不可能将某一系统冷却至绝对零度,而在无限时间下该问题是无意义的。同时他们还建立了关于冷却时间与最低温之间的数学关系,也就是所谓的“冷却速度”。

与光速相同,冷却速度并不是一成不变,而是取决于环境中的声速以及能量输入的快慢(就像光速在不同介质下速度不同)。

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伦敦大学的科学家们从量子信息入手,将冷却物体的过程视为一种计算。

在一个低能态的系统中,粒子携带能量较低,其热运动较为缓和,因此粒子的排列状态会比较少;而在较高能态的系统中,粒子会携带较高的能量,因此粒子热运动会十分剧烈,粒子间的排列状态可能会急剧增加,以至于无法确认粒子在此期间的状态,因此不确定性陡然上升;而在绝对零度的系统中,粒子无运动,准确地对系统进行描述也就不在话下。

所以,物理学家们认为,冷却应该是一个“信息锁定”的过程,必须要了解这一过程的复杂性。“量子信息理论”已经在热力学第二定律的各种版本中成功应用,不过在热力学第三定律中的使用还不是那么明确。

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研究人员始终强调,热力学第三定律在目前人类科技的水平下不具有太多技术应用,其理论价值最为重要,理论是为未来服务的。

他们同时表示,其推导出的冷却速度限制是一个十分巨大的数字,而凭借人类的技术手段,想要达到这一数字还是天方夜谭。这就好像是光速与马车。

知道在宇宙在某一方面有限制是十分重要的事,即便我们还远远无法触碰这个限制。这次的研究意义十分深远,热力学第三定律是现代物理学的根本之一,涉及广泛的物理层面,是许多知识的交汇之处。

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