為什麽我們能感受溫度變化？
當我們在 炎炎夏日 時往嘴裏塞一塊冰時， 瞬間就能夠感受到冰塊帶來的涼意。 這只是一個很簡單的降溫辦法，但這裏面蘊含的具體解釋卻非同尋常。為什麽 冰塊 能夠給人帶來涼意？為什麽冰塊能夠降溫？
享受冰塊帶來的涼爽
關於溫度的解釋早在 18世紀 就有科學家進行過解釋， 克耳文規定的溫度範疇讓後來的溫度研究有了統一標準 。後來演變出更進一步的 熱力學研究 ，透過能量交換、分子運動解釋了物體的升溫、降溫過程。冰塊之所以能夠讓人感到涼爽， 實際上就是一種熱量交換 ，人體的熱量被傳遞至冰塊中，熱量的流失讓我們感到冰冷。
冰塊一般是指液體水被冰凍後制成的固體水
但這並不是恒定不變的，最終在分子的平衡振蕩中，所有運動會趨於平衡，最終達到一個最終溫度， 這取決於環境、物體本身。 熱力學的研究一方面向人們解釋了世界的變化發展，另一方面，與溫度相關的研究也解決了科學家對於最低溫度的爭論，最終這個定義標準被定格在了 -273.15℃ ，也就是今天我們熟知的 絕對零度。
克耳文溫度示意圖
正當人們沾沾自喜時，現實的另一端， 量子力學 認為，這個溫度是人類永遠無法到達的低溫， 當然科學家後來透過理論證明事實確實如此。 量子力學是如何解釋這種溫度變化的？為什麽最低溫度是-273.15℃？ 量子力學 如何證明了熱力學問題？溫度變化在微觀世界中到底經歷了什麽？
絕對零度，約等於零下273.15攝氏度
本文將從量子力學、熱力學這兩個方面及其相關理論中來解答這些問題。最終我們來看看， 為什麽說零下-273.15℃是人類永遠無法到達的低溫。
絕對零度就是0K
溫度是什麽？
我們必須先明白溫度與物體運動本身的聯系。這裏面我們最常見的一個認知在於，溫度似乎就是冷和熱的概念。事實上， 微觀粒子運動帶來的溫度變化遠比人們感受到的要復雜許多。
從 粒子運動 上來講，具有品質的粒子被稱為物質體子。粒子之間的運動會產生能量，經過能量轉換後，粒子的動能變成了熱能，因此產生熱量。 不同的粒子運動，所產生的熱量也不盡相同。
瓦斯、液體和固體中，粒子的狀態完全不同
這些粒子包括 質子、中子、電子， 而無品質粒子則被稱作 放射線粒子 ，這種粒子因其運動能夠帶來更高的能量，因此熱量也會更高。在我們所生活的世界中， 幾乎都是由這些粒子構成了人類認知的一切。
分子運動速率與溫度
而 溫度 正是反映了一切事物的最基本變化，本質來講， 它們是分子運動帶來的熱量交換 。熱力學告訴我們，這種能量傳遞主要受分子的振動影響，振動頻率越高的分子，帶來的熱量也會更高。當兩個物體接觸時， 熱量高的一端會向熱量低的一端傳遞， 最終兩個物體的運動頻率達成一致後， 最終的溫度便形成。
粒子包括質子、中子、電子
同時， 熱力學第三定律 指出，當系統的溫度接近絕對零時，所有過程都停止，並且系統的熵接近最小值。 這個絕對零度便是-273.15℃， 但為什麽一定是這個數值呢？
如何達到絕對零度？
如果能想到這裏，那麽你跟當年研究溫度的科學家一樣抱有同樣的疑問。在近代物理學起步沒多久時，最低溫度這個概念就在一直被不斷更新。18世紀時期， 不少科學家都相信最低溫度應該在-400℃，甚至-600℃。
威廉·湯姆森
但在1848年， 威廉·湯姆森 首次提出了瓦斯體積可能下降到零的溫度。他認為要想透過溫度計計量瓦斯最低溫度的標準，就必須要有一個相應的絕對零點， 這個零點則根據熱力學第二定律進行定義。
事實上像 湯姆森 這麽想的並不止他一人， 雅各·察爾斯 在18世紀初就在瓦斯實驗的想法中制定了一個基本依據。這便是後來在熱力學中的 「察爾斯定律」 ，該定律表明，理想瓦斯的壓力和溫度之間成正比， 比值為一個常數。
絕對零度
該定律的公式表達為P/T=C， 其中P為理想瓦斯的壓力，溫度由T表示，而C便是兩個比值的常數 。當理想瓦斯的體積為恒定狀態時，便能透過該公式測算出這之間的關系。基於最小平方法，便得到了 察爾斯定律的方程式圖。
最後將圖形中的直線向橫座標延伸，瓦斯之間最終會相交於一點，而這個點則在 -273.15℃ ，絕對零度也由此得來。察爾斯定律將瓦斯的宏觀性質以及構成瓦斯的分子微觀性質結合起來，將分子的品質和速度聯系起來， 從動力學理論中推匯出該定律。
一個典型的熱力學系統
此後關於物體的運動表現和溫度變化都能夠透過熱力學研究來進行解釋， 熱力學 相關的研究催生出了後來的各項理論，包括量子力學、相對論這樣復雜的理論， 都能看到熱力學的影子。 但 量子力學 為何認為，這種絕對零度人類無法達到？
絕對低溫等於絕對靜止
事實上不僅是 量子力學 的研究，包括熱力學本身也不會允許這種溫度的存在，它只限於理論中，不過這裏我們主要從量子力學這方面進行解釋。
物理學的四大領域
量子力學中有一個關鍵的理論， 「海森堡測不準原理」 ，該原理也被稱作不確定性原理， 它對粒子的某些物理量對應的值的精度提出了基本限制。 同時，它也指出，物理學中出現的觀察者效應的某些系統測量不能在不影響系統的情況下進行。
為了說明該原理，物理學家主要從 「波力學」和「矩陣力學」 這兩個方面進行研究。多種實驗和研究表示，這種不確定性原理是確實存在的。
粒子運動十分劇烈時，溫度就越高
海森堡 在1926年的研究中認識到，數學中的交換關系意味著不確定性，也就是說，不能同時測量任何兩個不通勤的變量，一個越精確，另一個就越不精確。
最終的結果便是，人們永遠無法完全準確地知道決定一個最小粒子運動的兩個重要因素， 即位置和速度 。不可能同時準確地確定一個粒子的位置、方向和速度，這一研究也從側面驗證了熱量學定律。
不確定性原理是由海森堡於1927年提出
現在讓我們把所有理論集合在一起看，溫度本質是粒子運動，熱量產生和交換的過程，溫度最低下限是存在的， 因為沒有了運動，熱量自然為零。 但在微觀世界中，粒子並不會完全靜止，這也是 海森堡測不準原理 中解釋道的， 速度、位置總要有一個。
無法測量 粒子的運動變化 ，也就無法確定它的位置，粒子也許大概在某個區域，但它不可能精確地在一個點。同時我們再看絕對零度下的狀態，粒子既然停止了運動， 那麽就能夠完全確定它的位置和方向，而這便違背了量子力學所規定要求。
粒子運動
從宏觀來看，也就不存在完全靜止的物體， 宇宙中也不會有靜止不動的粒子 。所以絕對零度是人類無法達到的溫度，物體的最低溫只能無限接近於絕對零度。
絕對零度是熱力學的最低溫度
如果把 絕對零度 向整個物理體系再延伸一點，那麽時間也會因此停止。因為所有的一切物體都不再運動，時間也不再流逝，人類無法感知到事物變化， 世界便真的成為了一個「冰塊」。
