绝对零度（热力学的最低温度）

绝对零度是热力学的最低温度，是粒子动能低到量子力学最低点时物质的温度。绝对零度是仅存于理论的下限值，其热力学温标写为0K，等于摄氏温标-273.15℃。在此温度下，物质分子没有动能，但仍然存在势能，此时内能为最小值。尽管在理论上是温度的最低极限，但绝对零度在实际中是无法达到的，只能无限接近。

定义

开尔文温标（K）是以绝对零度作为零点的热力学温标，每一度开尔文的变化与摄氏度相同，即1K = 1℃。绝对零度是指热力学温标的零点，即0 K。在这个温度下，理想情况下，物质内部的分子和原子的动能降至最低，但根据量子力学，粒子的零点能量仍然存在，因此分子并不会完全静止。绝对零度相当于摄氏温标下的-273.15℃或华氏温标下的-459.67℉。

详细内容

热力学基础

绝对零度的概念基于热力学定律，特别是热力学第三定律。该定律表明随着温度接近绝对零度，物质的熵趋近于一个常数。在绝对零度下，理想晶体的熵为零。在绝对零度时，物质分子的动能为最低，但根据量子力学，粒子的零点能量仍然存在，因此分子并不会完全静止。

尽管绝对零度无法达到，但科学家们已经能在实验室中实现接近绝对零度的温度。例如，通过激光冷却和磁悬浮技术，科学家们已经将温度降至几纳开尔文（nK）甚至皮开尔文（pK）。

在接近绝对零度时，热德布罗意波长变得很长，粒子与粒子之间的物质波有很大的重叠，因此量子力学的效应就会变得很明显。著名的现象之一就是玻色-爱因斯坦凝聚。玻色-爱因斯坦凝聚在1995年首次被实验证实，当时温度仅有170 nK。

基于理想气体状态方程的推导

绝对零度是根据理想气体所遵循的规律（即理想气体状态方程PV=nRT），用外推的方法得到的。用这样的方法，当温度降低到-273.15℃时，气体的体积或压强将减小到零。如果从分子运动论的观点出发，理想气体分子的平均动能由温度T确定，那么也可以把绝对零度说成是“理想气体分子停止运动时的温度”。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℃时，将表现出明显的量子特性，这时气体早已变成液态或固态。总之，气体分子的运动已不再遵循经典物理的热力学统计规律。通过大量实验以及经过量子力学修正后的理论导出，在接近绝对零度的地方，分子的动能趋于一个固定值，这个极值被叫作零点能量。这说明绝对零度时，分子的能量并不为零，而是具有一个很小的数值。此时，全部粒子都处于能量可能有的最低的状态，也就是全部粒子都处于基态。 ^[1]

发展历史

17世纪和18世纪：最早提出自然界存在温度下限这一概念的可能是化学之父波义耳。他观察到硝石（硝酸钾）溶解于水而吸收大量热量，认为地球内部可能存在一种最低温度，他把这叫作“原始冷”。

19世纪：英国物理学家威廉·汤姆逊（即开尔文男爵）依据前人的研究成果，正式提出了绝对零度的概念。他将绝对零度解释为物体内能降低至零，分子运动完全停止的状态。这一概念的提出，为热力学领域设定了一个终极目标，引发了科学界对低温极限的探索。

19世纪末到20世纪初：物理学家们开始通过实验方法接近绝对零度。例如，法国科学家路易斯·保罗·卡耶泰在19世纪70年代末成功地制得了液氧，液氧的温度达到了-183℃。

随着20世纪初量子力学的发展，科学家们逐渐认识到即使在绝对零度下，粒子也会因为量子涨落而保持一定的能量状态。这颠覆了开尔文最初的设想，也为后来的低温物理学研究开辟了新的方向。 ^[2]

20世纪中后期，科学家们发明了激光冷却和蒸发冷却等先进技术，使得物质能够被冷却到接近绝对零度的温度。1995年，科学家首次实现了玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC），这是在接近绝对零度的温度下出现的一种新的物质状态，是在极低温下观察到的一种量子相变现象。BEC的出现进一步证明了绝对零度的重要性，并为量子物理的研究提供了新的平台。

近年来，科学家们通过实验发现了负绝对温度的可能性。具有负温度的系统并不比绝对零度更冷，而是比正温度系统更热。在某些特定条件下，系统的大部分粒子可以处于高能态而少数粒子处于低能态。这一发现不仅挑战了传统热力学观念，也为探索新的物质状态提供了可能性。

拓展内容

低温物理学的应用

接近绝对零度的极低温环境为科学研究提供了独特的条件。例如，在这种环境下，科学家可以观察到超导、超流等奇特现象，这些现象对于理解物质的本质和开发新技术具有重要意义。此外，低温物理学还在量子计算、精密测量等领域发挥着重要作用。

宇宙中最冷的地方

智利天文学家发现的布莫让星云（又名“回力棒星云”）是目前已知自然界中最冷的地方之一，其温度仅比绝对零度高出大约1度。这一发现不仅验证了大爆炸理论的正确性，也为研究宇宙背景辐射提供了宝贵的线索。 ^[3]

参考资料

• 1
  王安蓉，刘定兴，邹星．大学物理简明教程 下[M]．华中科技大学出版社．2017．35
• 2
  （英）库尔特·门德尔松（Kurt Mendelssohn）著；张长贵等译．绝对零度的探索：低温物理趣谈．科学普及出版社．1987
• 3
  天文学家揭开宇宙“最冷之地”真实面貌．中国科学院 [引用日期2025-03-29]

本词条认证专家为：中国科学院大学物理科学学院 路红亮教授