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科学探索

绝对零度与量子力学的本质问题

科学探索万象经验2023-05-08

我们都熟悉物质的状态:固态、液态和气态。加热固体,最终它会融化成液体,泵入更多的能量,所有液体都会蒸发成气体。有更多的能量,气体中的电子会脱离原子,从而成为等离子体状态。在这些物质状态中,粒子具有巨大范围的个体能量,有些快速移动或振动,而有些则较慢,温度只是代表无数粒子的平均动能。

在某些固体中,成对的电子——库珀对凝聚成这种状态,它们不受限制地流过材料,使其成为超导体。然而,如果整个物质在达到玻色-爱因斯坦凝聚的温度时能够以某种形式保持流体状态,它就会成为我们所说的超流体。已知有一种物质可以在实验室可能的条件下产生超流体,那就是氦,特别是氦-4。氦-4的总自旋为零,这使其成为玻色子,不必遵守泡利不相容原理。氦-4的另一个特点是它不会冻结,在尽可能低的温度下仍然是液体,其他物体在成为超流体之前就会冻结成固体。

零点能量

我们将量子系统的最低能量称为零点能量,对于构成任何形式物质的一组粒子,零点能量实际上并不为零,总是会有一点动能剩余,所以温度不可能达到绝对零。这会导致一些更奇怪的现象,例如,充满我们宇宙的量子场也会由于不确定性原理而波动,从而产生我们所知的真空能量。一些量子场在将海森堡带入其中之前就具有固定的非零零点能量,这导致了著名的希格斯机制,也可能导致了暴涨和暗能量现象。

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