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无限逼近绝对零度时,分子还会动吗?

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把一块石头放在桌面上保持静止,此时石头虽然没有做机械运动,可组成石头的分子、离子、原子等都在做无规则的运动。分子的这种无规则运动叫做分子的热运动,热运动的剧烈程度与温度有关,温度越高分子的热运动就越剧烈。比如将一块金和一块铅紧密地压在一起,在常温下放置五年两者会相互渗透1毫米。若是将金和铅在液态氮中挤压在一起,五年后它们相互渗透到对方中的深度明显小于1毫米。

分子热运动的剧烈程度可以用分子热运动时的平均动能来反映,温度是平均动能的标志,温度越低分子热运动时的平均动能就越小。若是温度进一步降低,无限趋近于绝对零度时分子做热运动时的动能会不会就趋近于零了?

热力学第三定律不允许通过有限的过程将一个物体的温度降低到绝对零度,自然也就无从通过实验看一下绝对零度时分子是否还在做热运动。绝对零度虽然达不到,科学家们早已能够通过不同的方法将物体的温度降低到千分之一开以下。分子热运动时的动能并没有因温度趋近于零而趋近于零。另外,量子力学的建立也告诉人们不论温度有多低,组成物质的分子都不会停止运动。

深入到原子、分子领域时,量子现象会愈发明显。微观世界中粒子具有波粒二象性,平时说“原子”、“分子”时是将它们看成了粒子,而粒子同时还有波动性,波永远不可能静止。

量子力学中还有不确定性原理,永远不可能同时测量粒子的位置和动量。或者说对一个粒子位置的测量越准确,粒子的动量的不确定性就越大。粒子有了动量,即意味着在运动。

量子力学中还可以计算出粒子可能拥有的最低能量。以一维谐振子模型为例,谐振子的能量为(n+1/2)hω/2π,n最小为0,此时谐振子的能量最小。从表达式中可以看到,即使谐振子的能量最小时也不是零,故谐振子不会停止运动。组成物质的原子、分子、离子在振动时可以用谐振子模型来处理,从中可以看到物体分子的能量不可能为零,不论温度是多少。

尽管绝对零度不可能达到,尽管组成物质的分子不论温度是多少都在做无规则的热运动,人类对更低温度的追求不会停止。低温世界中有超导、超流等奇妙的现象,这些奇妙的现象并没有被人类彻底搞清楚是怎么回事。人类会继续探索低温世界,分析研究其中的各种奇妙。几十年后人类对低温世界中组成物质的分子的运动情况定会有更加深刻的认识。

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