當我們在炎炎夏日時往嘴裡塞一塊冰時，瞬間就能夠感受到冰塊帶來的涼意。這隻是一個很簡單的降溫辦法，但這裡面蘊含的具體解釋卻非同尋常。為什麼冰塊能夠給人帶來涼意？為什麼冰塊能夠降溫？

享受冰塊帶來的涼爽

關于溫度的解釋早在18世紀就有科學家進行過解釋，開爾文規定的溫度範疇讓後來的溫度研究有了統一标準。後來演變出更進一步的熱力學研究，通過能量交換、分子運動解釋了物體的升溫、降溫過程。冰塊之所以能夠讓人感到涼爽，實際上就是一種熱量交換，人體的熱量被傳遞至冰塊中，熱量的流失讓我們感到冰冷。

冰塊一般是指液體水被冰凍後制成的固體水

但這并不是恒定不變的，最終在分子的平衡振蕩中，所有運動會趨于平衡，最終達到一個最終溫度，這取決于環境、物體本身。熱力學的研究一方面向人們解釋了世界的變化發展，另一方面，與溫度相關的研究也解決了科學家對于最低溫度的争論，最終這個定義标準被定格在了-273.15℃，也就是今天我們熟知的絕對零度。

開爾文溫度示意圖

正當人們沾沾自喜時，現實的另一端，量子力學認為，這個溫度是人類永遠無法到達的低溫，當然科學家後來通過理論證明事實确實如此。量子力學是如何解釋這種溫度變化的？為什麼最低溫度是-273.15℃？量子力學如何證明了熱力學問題？溫度變化在微觀世界中到底經曆了什麼？

絕對零度，約等于零下273.15攝氏度

本文将從量子力學、熱力學這兩個方面及其相關理論中來解答這些問題。最終我們來看看，為什麼說零下-273.15℃是人類永遠無法到達的低溫。

絕對零度就是0K

我們必須先明白溫度與物體運動本身的聯系。這裡面我們最常見的一個認知在于，溫度似乎就是冷和熱的概念。事實上，微觀粒子運動帶來的溫度變化遠比人們感受到的要複雜許多。

從粒子運動上來講，具有質量的粒子被稱為物質粒子。粒子之間的運動會産生能量，經過能量轉換後，粒子的動能變成了熱能，因此産生熱量。不同的粒子運動，所産生的熱量也不盡相同。

氣體、液體和固體中，粒子的狀态完全不同

這些粒子包括質子、中子、電子，而無質量粒子則被稱作輻射粒子，這種粒子因其運動能夠帶來更高的能量，因此熱量也會更高。在我們所生活的世界中，幾乎都是由這些粒子構成了人類認知的一切。

分子運動速率與溫度

而溫度正是反映了一切事物的最基本變化，本質來講，它們是分子運動帶來的熱量交換。熱力學告訴我們，這種能量傳遞主要受分子的振動影響，振動頻率越高的分子，帶來的熱量也會更高。當兩個物體接觸時，熱量高的一端會向熱量低的一端傳遞，最終兩個物體的運動頻率達成一緻後，最終的溫度便形成。

粒子包括質子、中子、電子

同時，熱力學第三定律指出，當系統的溫度接近絕對零時，所有過程都停止，并且系統的熵接近最小值。這個絕對零度便是-273.15℃，但為什麼一定是這個數值呢？

如果能想到這裡，那麼你跟當年研究溫度的科學家一樣抱有同樣的疑問。在近代物理學起步沒多久時，最低溫度這個概念就在一直被不斷更新。18世紀時期，不少科學家都相信最低溫度應該在-400℃，甚至-600℃。

威廉·湯姆森

但在1848年，威廉·湯姆森首次提出了氣體體積可能下降到零的溫度。他認為要想通過溫度計計量氣體最低溫度的标準，就必須要有一個相應的絕對零點，這個零點則根據熱力學第二定律進行定義。

事實上像湯姆森這麼想的并不止他一人，雅克·查爾斯在18世紀初就在氣體實驗的想法中制定了一個基本依據。這便是後來在熱力學中的“查爾斯定律”，該定律表明，理想氣體的壓強和溫度之間成正比，比值為一個常數。

絕對零度

該定律的公式表達為P/T=C，其中P為理想氣體的壓強，溫度由T表示，而C便是兩個比值的常數。當理想氣體的體積為恒定狀态時，便能通過該公式測算出這之間的關系。基于最小二乘法，便得到了查爾斯定律的方程圖。

最後将圖形中的直線向橫坐标延伸，氣體之間最終會相交于一點，而這個點則在-273.15℃，絕對零度也由此得來。查爾斯定律将氣體的宏觀性質以及構成氣體的分子微觀性質結合起來，将分子的質量和速度聯系起來，從動力學理論中推導出該定律。

一個典型的熱力學系統

此後關于物體的運動表現和溫度變化都能夠通過熱力學研究來進行解釋，熱力學相關的研究催生出了後來的各項理論，包括量子力學、相對論這樣複雜的理論，都能看到熱力學的影子。但量子力學為何認為，這種絕對零度人類無法達到？

事實上不僅是量子力學的研究，包括熱力學本身也不會允許這種溫度的存在，它隻限于理論中，不過這裡我們主要從量子力學這方面進行解釋。

物理學的四大領域

量子力學中有一個關鍵的理論，“海森堡測不準原理”，該原理也被稱作不确定性原理，它對粒子的某些物理量對應的值的精度提出了基本限制。同時，它也指出，物理學中出現的觀察者效應的某些系統測量不能在不影響系統的情況下進行。

為了說明該原理，物理學家主要從“波力學”和“矩陣力學”這兩個方面進行研究。多種實驗和研究表示，這種不确定性原理是确實存在的。

粒子運動十分劇烈時，溫度就越高

海森堡在1926年的研究中認識到，數學中的交換關系意味着不确定性，也就是說，不能同時測量任何兩個不通勤的變量，一個越精确，另一個就越不精确。

最終的結果便是，人們永遠無法完全準确地知道決定一個最小粒子運動的兩個重要因素，即位置和速度。不可能同時準确地确定一個粒子的位置、方向和速度，這一研究也從側面驗證了熱量學定律。

不确定性原理是由海森堡于1927年提出

現在讓我們把所有理論集合在一起看，溫度本質是粒子運動，熱量産生和交換的過程，溫度最低下限是存在的，因為沒有了運動，熱量自然為零。但在微觀世界中，粒子并不會完全靜止，這也是海森堡測不準原理中解釋道的，速度、位置總要有一個。

無法測量粒子的運動變化，也就無法确定它的位置，粒子也許大概在某個區域，但它不可能精确地在一個點。同時我們再看絕對零度下的狀态，粒子既然停止了運動，那麼就能夠完全确定它的位置和方向，而這便違背了量子力學所規定要求。

粒子運動

從宏觀來看，也就不存在完全靜止的物體，宇宙中也不會有靜止不動的粒子。所以絕對零度是人類無法達到的溫度，物體的最低溫隻能無限接近于絕對零度。

絕對零度是熱力學的最低溫度

如果把絕對零度向整個物理體系再延伸一點，那麼時間也會因此停止。因為所有的一切物體都不再運動，時間也不再流逝，人類無法感知到事物變化，世界便真的成為了一個“冰塊”。

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