天气 
2025-08-08
热力学第一定律和第二定律告诉了人们应该如何制冷，而热力学第三定律则为制冷的范围设定了一个极限。如果绝对零度无法达到，那么低温物理学的存在是否还有意义？笔者认为，1mK以上的低温环境在过去百年间已给人们带来足够多的物理现象，我们没有道理去担心更低的温度不会持续带来惊喜。
因为绝对零度的存在，任何降温方式的制冷能力在零温极限下都将趋于零，而幸好因为绝对零度的存在，宏观物体的比热在零温极限下也将趋于零。从这个意义上讲，一步步尝试获得温度更低的制冷环境是一条越来越难，却又值得去开拓的可行科研路径。
01
热力学第三定律
热力学自建立以来一直是一个理解物性随温度变化的有力工具。热力学第一定律为我们提供了自然规律的一条边界：只有能量守恒的过程才能发生；热力学第二定律告诉我们另一个边界：实际发生的热过程不可逆，时间有方向；热力学第三定律则告诉我们第三个边界：绝对零度无法获得。
1702年，阿蒙东预测过绝对零度的存在，他测量了空气压强随温度下降而下降的关系，因为压强最终只能降到零，所以他判断存在一个气体无法逾越的极限温度。这样的绝对零度的概念已经体现在开尔文等人建立的热力学温标之中了。20世纪初期，能斯特在探索低温化学反应的方向时总结了热力学第三定律。量子力学出现之后，玻色—爱因斯坦凝聚和电子比热等结论都支持第三定律。
在能斯特和其他人关于热力学第三定律的表述中，一种说法是绝对零度可以逼近但无法到达。这个规律在人类尝试降温的过程中已经有所体现，虽然它的成立无法通过实验验证。即使热力学第三定律没有被总结出来，任何一个在极低温参数空间边界尝试挑战极限的科研人员都不该相信自己可以获得绝对零度，因为每个人都会面临如何处理漏热的现实问题。换句话说，不论热力学第三定律是否出现，都不太可能改变当年一批低温科研人员对降温的学术兴趣。从数学处理上，人们把绝对零度作为极限，用对数尺度而不是线性尺度去看待逼近绝对零度的降温过程永无止境，从概念上理解这个降温之路咫尺天涯，也不是什么新鲜的做法。热力学第三定律的另一种表述是绝对零度时的熵为零。
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