量子力学中的不确定度是什么（为何量子力学认为）

为什么我们能感受温度变化？

当我们在炎炎夏日时往嘴里塞一块冰时，瞬间就能够感受到冰块带来的凉意。这只是一个很简单的降温办法，但这里面蕴含的具体解释却非同寻常。为什么冰块能够给人带来凉意？为什么冰块能够降温？

享受冰块带来的凉爽

关于温度的解释早在18世纪就有科学家进行过解释，开尔文规定的温度范畴让后来的温度研究有了统一标准。后来演变出更进一步的热力学研究，通过能量交换、分子运动解释了物体的升温、降温过程。冰块之所以能够让人感到凉爽，实际上就是一种热量交换，人体的热量被传递至冰块中，热量的流失让我们感到冰冷。

冰块一般是指液体水被冰冻后制成的固体水

但这并不是恒定不变的，最终在分子的平衡振荡中，所有运动会趋于平衡，最终达到一个最终温度，这取决于环境、物体本身。热力学的研究一方面向人们解释了世界的变化发展，另一方面，与温度相关的研究也解决了科学家对于最低温度的争论，最终这个定义标准被定格在了-273.15℃，也就是今天我们熟知的绝对零度。

开尔文温度示意图

正当人们沾沾自喜时，现实的另一端，量子力学认为，这个温度是人类永远无法到达的低温，当然科学家后来通过理论证明事实确实如此。量子力学是如何解释这种温度变化的？为什么最低温度是-273.15℃？量子力学如何证明了热力学问题？温度变化在微观世界中到底经历了什么？

绝对零度，约等于零下273.15摄氏度

本文将从量子力学、热力学这两个方面及其相关理论中来解答这些问题。最终我们来看看，为什么说零下-273.15℃是人类永远无法到达的低温。

绝对零度就是0K

温度是什么？

我们必须先明白温度与物体运动本身的联系。这里面我们最常见的一个认知在于，温度似乎就是冷和热的概念。事实上，微观粒子运动带来的温度变化远比人们感受到的要复杂许多。

从粒子运动上来讲，具有质量的粒子被称为物质粒子。粒子之间的运动会产生能量，经过能量转换后，粒子的动能变成了热能，因此产生热量。不同的粒子运动，所产生的热量也不尽相同。

气体、液体和固体中，粒子的状态完全不同

这些粒子包括质子、中子、电子，而无质量粒子则被称作辐射粒子，这种粒子因其运动能够带来更高的能量，因此热量也会更高。在我们所生活的世界中，几乎都是由这些粒子构成了人类认知的一切。

分子运动速率与温度

而温度正是反映了一切事物的最基本变化，本质来讲，它们是分子运动带来的热量交换。热力学告诉我们，这种能量传递主要受分子的振动影响，振动频率越高的分子，带来的热量也会更高。当两个物体接触时，热量高的一端会向热量低的一端传递，最终两个物体的运动频率达成一致后，最终的温度便形成。

粒子包括质子、中子、电子

同时，热力学第三定律指出，当系统的温度接近绝对零时，所有过程都停止，并且系统的熵接近最小值。这个绝对零度便是-273.15℃，但为什么一定是这个数值呢？

如何达到绝对零度？

如果能想到这里，那么你跟当年研究温度的科学家一样抱有同样的疑问。在近代物理学起步没多久时，最低温度这个概念就在一直被不断更新。18世纪时期，不少科学家都相信最低温度应该在-400℃，甚至-600℃。

威廉·汤姆森

但在1848年，威廉·汤姆森首次提出了气体体积可能下降到零的温度。他认为要想通过温度计计量气体最低温度的标准，就必须要有一个相应的绝对零点，这个零点则根据热力学第二定律进行定义。

事实上像汤姆森这么想的并不止他一人，雅克·查尔斯在18世纪初就在气体实验的想法中制定了一个基本依据。这便是后来在热力学中的“查尔斯定律”，该定律表明，理想气体的压强和温度之间成正比，比值为一个常数。

绝对零度

该定律的公式表达为P/T=C，其中P为理想气体的压强，温度由T表示，而C便是两个比值的常数。当理想气体的体积为恒定状态时，便能通过该公式测算出这之间的关系。基于最小二乘法，便得到了查尔斯定律的方程图。

最后将图形中的直线向横坐标延伸，气体之间最终会相交于一点，而这个点则在-273.15℃，绝对零度也由此得来。查尔斯定律将气体的宏观性质以及构成气体的分子微观性质结合起来，将分子的质量和速度联系起来，从动力学理论中推导出该定律。

一个典型的热力学系统

此后关于物体的运动表现和温度变化都能够通过热力学研究来进行解释，热力学相关的研究催生出了后来的各项理论，包括量子力学、相对论这样复杂的理论，都能看到热力学的影子。但量子力学为何认为，这种绝对零度人类无法达到？

绝对低温等于绝对静止

事实上不仅是量子力学的研究，包括热力学本身也不会允许这种温度的存在，它只限于理论中，不过这里我们主要从量子力学这方面进行解释。

物理学的四大领域

量子力学中有一个关键的理论，“海森堡测不准原理”，该原理也被称作不确定性原理，它对粒子的某些物理量对应的值的精度提出了基本限制。同时，它也指出，物理学中出现的观察者效应的某些系统测量不能在不影响系统的情况下进行。

为了说明该原理，物理学家主要从“波力学”和“矩阵力学”这两个方面进行研究。多种实验和研究表示，这种不确定性原理是确实存在的。

粒子运动十分剧烈时，温度就越高

海森堡在1926年的研究中认识到，数学中的交换关系意味着不确定性，也就是说，不能同时测量任何两个不通勤的变量，一个越精确，另一个就越不精确。

最终的结果便是，人们永远无法完全准确地知道决定一个最小粒子运动的两个重要因素，即位置和速度。不可能同时准确地确定一个粒子的位置、方向和速度，这一研究也从侧面验证了热量学定律。

不确定性原理是由海森堡于1927年提出

现在让我们把所有理论集合在一起看，温度本质是粒子运动，热量产生和交换的过程，温度最低下限是存在的，因为没有了运动，热量自然为零。但在微观世界中，粒子并不会完全静止，这也是海森堡测不准原理中解释道的，速度、位置总要有一个。

无法测量粒子的运动变化，也就无法确定它的位置，粒子也许大概在某个区域，但它不可能精确地在一个点。同时我们再看绝对零度下的状态，粒子既然停止了运动，那么就能够完全确定它的位置和方向，而这便违背了量子力学所规定要求。

粒子运动

从宏观来看，也就不存在完全静止的物体，宇宙中也不会有静止不动的粒子。所以绝对零度是人类无法达到的温度，物体的最低温只能无限接近于绝对零度。

绝对零度是热力学的最低温度

如果把绝对零度向整个物理体系再延伸一点，那么时间也会因此停止。因为所有的一切物体都不再运动，时间也不再流逝，人类无法感知到事物变化，世界便真的成为了一个“冰块”。

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