In meinen Tagen gab es eine Geschichte über einen physikalischen Chemiker, der gebeten wurde, einen Effekt zu erklären, der durch ein Poster an der Wand illustriert wurde. Er tat das, woraufhin jemand bemerkte, dass das Plakat kopfüber hing, so dass der Effekt im Vorzeichen umgekehrt erschien. Unerschrocken erklärte der Typ es sofort umgekehrt, genauso überzeugend wie beim ersten Mal.

Erklärungen vor Ort zu erfinden ist eine respektable Sportart, aber Ihr Lehrer ging etwas zu weit. Was ist mit dem Gesetz von Charles? Sehen Sie, es ist ein Gas Gesetz; Es geht um Gase. Und selbst dann ist es nur eine Annäherung. Um es genau zu machen, müssen Sie Ihr Gas ideal machen, was nicht möglich ist. Wenn Sie die Temperatur senken, werden alle Gase immer weniger ideal. Und dann kondensieren sie, und wir müssen uns mit Flüssigkeiten und Feststoffen befassen, für die das Gesetz nie gilt, auch nicht als sehr schlechte Annäherung. Die Berufung auf dieses Gesetz, wenn wir uns dem absoluten Nullpunkt nähern, ist ungefähr so ​​sinnvoll wie das Ausschließen bestimmter Reaktionsmechanismen, da sich Atome schneller bewegen müssen, als es die Geschwindigkeitsbegrenzung im Bundesstaat Hawaii zulässt.

Das Energieargument ist noch lächerlicher. Wir müssen nicht die gesamte Energie entfernen, sondern nur die kinetische Energie. Der $ E = mc ^ 2 $ -Teil bleibt dort, so dass die Masse niemals irgendwohin geht.

Abgesehen davon gibt es kein physikalisches Gesetz, das die Existenz von Materie bei absolutem Null verbietet. Es ist nicht so, dass seine Existenz dazu führen würde, dass die Welt mit dem Fehler 500 untergeht. Es ist nur so, dass je näher man ihr kommt, desto mehr Aufwand ist erforderlich, wie bei anderen idealen Dingen (ideales Vakuum, ideal reine Verbindung, Kristall ohne Defekte usw.) ). Wenn überhaupt, machen wir einen ziemlich anständigen Job. Mit ausgefeilten Techniken wie Laserkühlung oder magnetischer Verdunstungskühlung haben wir den Naturrekord bei Kälte längst übertroffen.

Absolute Null ist ein kniffliges Konzept, insbesondere wenn Sie erst einmal genau darüber informiert sind. Thermodynamik und Quantenmechanik ist ein kniffliges Geschäft! Ich werde versuchen, die genauen Teile zu vermeiden und zu sehen, ob ich Ihnen eine Antwort geben kann, die intuitiver ist als ein Stapel von Gleichungen.

Die erste Frage ist, was es bedeutet, "eine Temperatur von zu erreichen" Absoluter Nullpunkt." Wenn wir solche Dinge formulieren, denken wir normalerweise in Bezug auf die Gleichgewichtsthermodynamik. In diesem Zusammenhang interessieren uns Schüttgüter mit einer gleichmäßigen Temperatur. Wir können schnell erkennen, dass, wenn zwischen einem Objekt "am absoluten Nullpunkt" und einem Objekt, das nicht am absoluten Nullpunkt liegt, eine Wärmeübertragung stattfindet, das erste Objekt erwärmt wird, wenn Wärmeenergie vom wärmeren Objekt in das Objekt fließt. Dies bedeutet, dass unser Objekt bei absolutem Nullpunkt nur dort verbleiben kann, wenn es sich in thermischer Isolation befindet. Es ist kein Weg bekannt, dies zu tun (insbesondere wenn es um Strahlungsheizung geht), es sei denn, Ihr Objekt am absoluten Nullpunkt ist vollständig von anderen Objekten am absoluten Nullpunkt umgeben. Dies bildet eine Art Turm aus Babel, der schließlich fällt, wenn einige äußere Objekte der 3K-Hintergrundstrahlung ausgesetzt werden müssen. Der leere Raum ist "wärmer" als der absolute Nullpunkt.

Was ist, wenn wir die Welt der Nichtgleichgewichtsthermodynamik betrachten? Dies ist die Untersuchung von Systemen, die sich derzeit nicht im Gleichgewicht befinden. Dies ist ein seltsamer Ort, an dem einige Dinge auftreten können, die auf den ersten Blick keinen Sinn ergeben. Eine davon sind negative Temperaturen. Negative Temperaturen treten auf, weil Physiker die Temperatur definieren: $ \ frac {1} {T} = \ frac {\ text {Änderung der Entropie}} {\ text {Änderung der Energie}} $. Es ist leicht zu zeigen, dass es in Gleichgewichtssituationen (wie wir es gewohnt sind) unmöglich ist, eine negative Temperatur zu haben (es weist auch darauf hin, dass Sie einen undefinierten Wert in Ihrer Gleichung haben würden, wenn Sie jemals T = 0 setzen würden). In der Nichtgleichgewichtsthermodynamik können wir jedoch seltsame Verbindungen betrachten, die metastabil sind. Sie können sie sich wie einen Ball vorstellen, der perfekt auf einem glatten Hügel liegt. Wenn der Ball in eine Richtung geschlagen wird, rollt er den Hügel hinunter nach unten. Oben kann es jedoch theoretisch (vorübergehend) bewegungslos bleiben.

Wir haben Atome zu Fallen zusammengefasst und sie abgekühlt, bis sie sehr, sehr kalt waren (einige Milliardstel Kelvin). Dann betätigten wir einen Schalter, der die Falle umdrehte. Plötzlich wurde eine Position, die sehr stabil war, zu einem instabilen Gleichgewicht. Wenn Sie die Berechnung für diesen seltsamen Zustand durchführen, stellt sich heraus, dass dies eine negative Temperatur impliziert!

Nun würde dies darauf hindeuten, dass eine Temperatur, da sie von positiv nach negativ ging, 0 K überschritten haben muss, was beweist dass wir etwas am absoluten Nullpunkt geschaffen haben. Dies ist jedoch nicht der Fall. Was tatsächlich passiert, ist, dass die Temperatur in Richtung einer positiven Unendlichkeit steigt, eine Diskontinuität erreicht und sich dann in eine negative Unendlichkeit umwickelt. Es nähert sich dann seiner negativen Temperatur von der negativen Unendlichkeit. Selbst in diesem Fall können wir den absoluten Nullpunkt nicht erreichen.

Die Quantenmechanik wirft auch das Problem auf, dass Sie niemals beweisen könnten, dass Sie den absoluten Nullpunkt erreicht haben, wenn Sie es versucht haben. Wärmeenergie ist kinetische Energie, die mit dem Impuls zusammenhängt. Angenommen, Sie haben einen hypothetischen Ansatz gefunden, um den absoluten Nullpunkt zu erreichen. Wenn Sie Ihre Ergebnisse beweisen möchten, müssen Sie beweisen, dass der Impuls ebenfalls 0 ist. Indem Sie jedoch beweisen, dass das Fehlerprinzip fehlerfrei ist, können Sie nichts über die Position dieser Partikel wissen. Sie könnten irgendwo im Universum sein!

Wenn man die Quantenmechanik beiseite lässt (es bereitet mir Kopfschmerzen), verhindert der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, dass in der Praxis der absolute Nullpunkt erreicht wird. Um etwas abzukühlen, muss seine Wärme auf etwas Kühleres übertragen werden. Da nichts kühler sein kann als der absolute Nullpunkt, kann man etwas nicht auf den absoluten Nullpunkt abkühlen.

Man kann sich bis nahe an $ 0 \ \ mathrm {K} $ schleichen und von seiner Quantenfantastizität erstaunt sein, aber wie Cort erklärte, machen Quanteneffekte das Konzept der Temperatur bei absolutem Nullpunkt ziemlich umständlich / p>

Die Erklärung Ihres Lehrers basiert, wie Ivan betont, auf dem idealen Gasgesetz, und es gibt kein ideales Gas, insbesondere nicht nahe am absoluten Nullpunkt.

Und lassen Sie uns nicht Vergessen Sie den Physiker, der in einen Bottich mit flüssigem Helium gefallen ist. Er ist jetzt 0K.

Die übliche Antwort ist, dass es nicht erreichbar ist, weil das absolute Vakuum nicht erreichbar ist, weil der Grundzustand der Raumzeit selbst eine Energie ungleich Null hat. Dieser gelegentlich kondensierende Grundzustand erzeugt die virtuellen Teilchen.

Abgesehen von diesem fundamentalen Grund dafür, dass das niedrigste Energieniveau der Raumzeit selbst ungleich Null ist, gibt es überall viele Neutrinos, die Sie können. ' schütze dich nicht wirklich davor. Eine massive galaxiengroße Goldkugel könnte dies bis zu einem gewissen Grad tun, aber leider kann man so etwas aufgrund der allgemeinen Relativitätstheorie nicht bauen (dh es würde lange vorher zu einem Schwarzen Loch werden).

Zahlen extrem nahe Null sind genauso schwer zu erreichen wie ihre Umkehrung, dh Dinge wie massive galaxiengroße goldene Kugeln. Selbst ohne den Grund, den ich zuerst angegeben habe, wäre dies immer noch unmöglich, da unser Universum voller Dinge ist.

Absoluter Nullpunkt kann definitiv existieren (siehe die spätere Bearbeitung), und es gibt mindestens eine Theorie, die besagt, dass absoluter Nullpunkt an einem Punkt die Norm im Universum sein wird.

Absoluter Nullpunkt kann nicht beobachtet werden. Beobachtung impliziert immer Interaktion. Absolute Null impliziert keinerlei Bewegung. Beobachtung bedeutet, dass Sie entweder ein Partikel vom beobachteten Objekt empfangen oder einige Partikel senden, die irgendwie zu Ihnen zurückkehren, oder Sie haben ein Gerät auf der anderen Seite und messen die Wechselwirkung Ihrer Partikel mit den anderen Partikeln. P. >

Wenn eine Position im Raum $ 0 \ \ mathrm {K} $ ist, bedeutet dies, dass sich nichts bewegt, sodass nichts von dort Sie erreichen kann, es sei denn:

Sie senden ein Partikel an eine Position in Raum, von dem Sie erwarten, dass er $ 0 \ \ mathrm {K} $ hat, aber wenn Ihr Partikel dort ist, wird der Raum nicht mehr $ 0 \ \ mathrm {K} $ haben, da er ein sich bewegendes Teilchen hat, das Sie gerade haben gesendet und am Ende werden Sie die Temperatur beobachten, die Sie gerade erzeugt haben.

Später bearbeiten: Ich nehme an, es hängt davon ab, wie Sie die Temperatur definieren. Wenn Sie bedenken, dass etwas existieren muss, damit es Temperatur hat, kann $ 0 \ \ mathrm {K} $ nicht existieren, da jede Schwankung in einem Feld bedeutet, dass etwas existiert und dass etwas eine Temperatur von mehr als $ 0 \ \ mathrm {K hat } $. Wenn Sie die Definition der Temperatur jedoch auf nicht vorhandene Objekte erweitern, sollte ein solches Objekt $ 0 \ \ mathrm {K} $

Vor zwei Tagen wurde eine Veröffentlichung darüber veröffentlicht, dass es nun matematisch bewiesen ist, dass es unmöglich ist, Absolute Zero zu erreichen.

Das ist schwer zu lesen, aber das ist ein ernsthafter Beweis.

Die Publikation ist da

Lesen Sie gut!

Absolute Null ist nicht erreichbar. Sie könnten es theoretisch nach den klassischen Gesetzen der Physik tun, aber es ist die Quantenmechanik (einschließlich der Quantenelektrodynamik), die verhindert, dass der absolute Nullpunkt erreicht wird. Nach diesen Gesetzen besteht die Möglichkeit, dass die Energie auch bei Null schwankt, was bedeutet, dass die Temperatur auch über Null schwankt. Und je niedriger die Temperatur, desto größer ist der Einfluss von Quanteneffekten. Spezielle Relativitätstheorie (Dinge wie $ E = mc ^ 2 $) spielt hier keine Rolle.

Feynman ist richtig. Halte inne und denke einen Moment nach. Was bedeutet es, "am absoluten Nullpunkt" zu sein, wenn wir den Satz akzeptieren, dass der absolute Nullpunkt nicht erreichbar ist? Angenommen, der absolute Nullpunkt ist nicht erreichbar. Welche dieser Aussagen ist falscher: 1. Beim absoluten Nullpunkt gibt es keine Bewegung. oder 2. Beim absoluten Nullpunkt gibt es keine Masse. Beide sind gleichermaßen falsch; Da das Prädikat falsch ist, sind die Aussagen logischerweise bedeutungslos. (Was bedeutet, dass beide Aussagen auch gleichermaßen zutreffen. Aber obwohl # 1 oft verwendet wurde, würde ich # 2 sicher nicht verwenden, es sei denn, ich wollte mit faulen Früchten beworfen werden. # 1 ist "nah genug", um "nützlich" zu sein "(falls falsch) Erklärung, während # 2 keine physikalische Rechtfertigung hat.). Klassischerweise sind die Gesetze der Thermodynamik empirisch. Sie sind was sie sind, weil sie sind. Kein "Warum" da. Wir können sie jedoch aus der klassischen statistischen Mechanik (die viele Jahre nach der Annahme des 2. Gesetzes erfunden wurde) oder noch besser nach der Erfindung der Quantenmechanik (ab 1925) und ihrer Anwendung auf die statistische Mechanik ableiten. Die Temperatur ist eine Eigenschaft großer Populationen von Quantenteilchen, ein Atom hat keine (klassisch definierte) Temperatur. Um zu verstehen, warum diese Population keine Temperatur von 0 K haben kann, müssen wir verstehen, wie die Temperatur aus den quantenmechanischen Eigenschaften der Partikel abgeleitet wird, aus denen das System besteht. Das ist ein Semesterkurs im College und kein Einführungskurs! Wenn Sie Feynmans Erklärung verstehen, akzeptieren Sie sie (obwohl sie nicht perfekt ist - sie richtete sich schließlich an Studienanfänger ohne vorherige Exposition gegenüber der Quantenmechanik)