现代自然科学的“边界”及其猜想.doc

现代自然科学的“边界”及其猜想 刘远翔 王邱茹 （贵州习水 564600） 摘要：绝对零度、光速、宇宙边界是现代科学的三个界限，除宇宙边界没有确定的数值外，绝对零度和光速都有确定的数值。这三个边界是否可以逾越？在这三个边界之外的世界是怎样的呢？ 一、绝对零度 绝对零度(absolute zero)是热力学的最低温度，但此为仅存于理论的下限值。热力学温标的单位是开尔文（K），绝对零度就是开尔文温标定义的零点。0K等于零下273.15度。物质的温度取决于其内原子、分子等粒子的动能。根据，粒子动能越高，物质温度就越高。理论上，若粒子动能低到量子力学的最低点时，物质即达到绝对零度，不能再低。然而，绝对零度永远无法达到，只可无限逼近。因为任何空间必然存有能量和热量，也不断进行相互转换而不消失。所以绝对零度是不存在的，除非该空间自始即无任何能量热量。绝对零度表示那样一种温度，在此温度下，构成物质的所有和均停止运动。所谓运动，系指所有空间、机械、分子以及等．还包括某些形式的运动，然而它并不包括量子力学概念中的“”。除非瓦解运动粒子的集聚系统，否则就不能停止这种。从这一定义的性质来看，绝对零度是不可能在任何实验中达到的，但目前科学家已经在实验室中达到距离绝对零度仅五十亿分之一的低温。所有这些在物质内部发生的分子和原子运动统称为“热运动”，这些是肉眼看不见的，但是我们会看到，它们决定了的大部分与温度有关的性质。正如一条直线仅由两点连成的一样，一种温标是由两个固定的且可重复的温度来定义的。最初，在一标准 (760毫米柱，或760托)时，摄氏温标是定冰之为0℃和水之沸点为100℃，绝对温标是定绝对零度为0K和冰之熔点为273K，这样，就等于有三个固定点而导致温度的不一致，因为科学家希望这两种温标的度数大小相等，所以，每当进行关于这三点的相互关系的准确实验时，总是将其中一点的数值改变达百分之一度。现在，除了绝对零度外，仅有一固定点获得国际承认，那就是水的“三相点”。1948年确定为273.16K，即绝对零度以上273．16度。当蒸气压等于一时，水的正常冰点273.16K略低，为273．15K水的正常沸点373.15K。这些以摄氏温标表示的固定点和其他一些次要的测温参考点(即所谓的国际实用温标)的实际值，以及在实验室中为准确地获得这些值的度量方法，均由国际权度委员会定期公布。 科学家在对绝对零度的研究中，发现了一些奇妙的现象。如本是气体（氦是自然界中最难的物质），在-268.9℃时变成，当温度持续降低时，原本装在瓶子里的液体，却轻而易举地从只有0.01毫米的缝隙中，很容易地溢到瓶外去了，继而出现了喷泉现象，液体的也消失了。 1848年，英国科学家威廉·汤姆逊·开尔文勋爵（1824～1907）建立了一种新的温度标度，称为，它的量度单位称为（K）。这种标度的分度距离同的分度距离相同。它的零度即可能的最低温度，相当于零下273摄氏度（精确数为-273.15℃），称为绝对零度。因此，要算出只需在摄氏温度上再加273即可。那时，人们认为温度永远不会接近于0（K），但今天，科学家却已经非常接近这一极限了。 物体的温度实际上就是在物体内部的运动。当我们感到一个物体比较热的时候，就意味着它的原子在快速运动：当我们感到一个物体比较冷的时候，则意味着其内部的原子运动速度较慢。我们的身体是通过热或冷来感觉这种运动的，而物理学家则是绝对温标或称开尔文温标来温度的。 按照这种温标测量温度，绝对温度零度（0K）相当于摄氏零下273.15度（-273.15℃）被称为“绝对零度”，是自然界中可能的最低温度。在绝对零度下，原子的运动完全停止了，那么就意味着我们能够精确地测量出粒子的速度(0)。然而1890年德国物理学家引入的表明这样一个事实：粒子的速度的不确定性、的不确定性的乘积一定不能小于普朗克常数，这是我们生活着的宇宙所具有的一个基本物理定律(海森堡不确定关系)。那么当粒子处于绝对零度之下，运动速度为零时，与这个定律相悖，因而我们可以在理论上得出结论，绝对零度是不可以达到的。绝对零度不达到自然界最冷的地方不是冬季的南极，而是在。那里的温度为零下272摄氏度，是目前所知自然界中最寒冷的地方，成为“宇宙冰盒子”。事实上，布莫让星云的温度仅比绝对零度(零下273.15℃)摄氏度高1度多。这个“”（因为实际上我们谈到的温度总是在绝对零度之上）是作为的大留存至今的热度，事实上，这是证明最显著有效的证据之一。 在实验室中人们可以做得更好，能进一步地接近于绝对零度，从上个世纪开始，人们就已经制成了能达到3K的，并且在10多年前，在实验室里达到的最低温度已是绝对零度之上1/4度了，后来由德国、美国、奥地利等国科学家组成的一个国际科研小组在实验室内创造了仅仅比绝对零度高0.5纳的温度纪录