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絕對零度（英语：absolute zero）是熱力學的最低溫度，是粒子动能低到量子力学最低点时物质的温度。绝对零度是僅存於理論的下限值，其熱力學溫標寫成K，等於攝氏溫標零下273.15度（即−273.15℃）。

物質的溫度取決於其內原子、分子等粒子的動能。根據麥克斯韋-玻爾茲曼分佈，粒子動能越高，物質溫度就越高。理論上，若粒子動能低到量子力學的最低點時，物質即達到絕對零度，不能再低。然而，根據熱力學第二定律，絕對零度永遠無法達到，只可無限逼近。因為任何空間必然存有能量和熱量，也不斷進行相互轉換而不消失。所以絕對零度是不存在的，除非該空間自始即無任何能量熱量。在此一空間，所有物質完全沒有粒子振動，其總體積並且為零。

有關物質接近絕對零度時的行為，可初步觀察熱德布洛伊波長（英语：Thermal de Broglie wavelength）。定義如下：

λth≡h2πmkTdisplaystyle lambda _thequiv frac hsqrt 2pi mkT

其中hdisplaystyle h為普朗克常數、mdisplaystyle m為粒子的質量、kdisplaystyle k為波茲曼常數、Tdisplaystyle T為絕對溫度。可見熱德布洛伊波長與絕對溫度的平方根成反比，因此當溫度很低的時候，粒子物質波的波長很長，粒子與粒子之間的物質波有很大的重疊，因此量子力學的效應就會變得很明顯。著名的現象之一就是在1995年首次被實驗證實的玻色-愛因斯坦凝聚，當時溫度降至只有1.7×10^-7K。

逼近絕對零度的方法

和外太空宇宙背景輻射的3K溫度做比較，實現玻色-愛因斯坦凝聚的溫度1.7×10^-7K遠小於3K，可知在實驗上要實現玻色-愛因斯坦凝聚是非常困難的，因為這代表著我們需要將溫度降到宇宙背景輻射之下，而在整個可知宇宙環境中並不存在如此低溫的環境。要製造出如此極低的溫度環境，主要的技術是雷射冷卻和蒸發冷卻。^[1]

• 雷射冷卻


• 
  蒸發冷卻
  

負溫度

在常用的摄式或华式温标下，以负数形式表示的温度只是单纯的比此两种表示方式下的零数值温度更低的温度。然而某些热力学系统是可以达到真正意义上的负温度的，换句话说，这些系统在热力学定义下的温度（以热力学温标K表示）可以是一个负的值。一个具有负温度的系统并不是说它比绝对零度更冷。恰恰相反，从感官上来讲，具有负温度的系统比任意一个具有正温度的系统都更热一些。当分别具有正负温度的两个系统接触时，热量会由负温度系统流向正温度系统。^[2]

大多数常见的系统都无法达到负温度，因为增加能量也会使得它们的熵增加的。但是，某些系统能够持有的能量是有上限的，当能量达到这个上限时，它们的熵实际上会减少。因为温度是由能量和熵之间的关系来定义的，所以即使能量在不停的增加，这个系统的温度仍会变成负值。^[2]所以，当能量增加时，对于处于负温度的系统，描述其状态的玻尔兹曼因子会增大而不是减小。因此，没有一个完备的系统——包括电磁系统——能够达到负温度，这是因为能量状态不会达到最大，所以不会有负温度出现。但是，对于准均衡系统（如因自旋而导致不均衡的电磁场）这一理论并不适用，所以准均衡系统是可能达到负温度的。

2013年1月3日，有物理学家声称首次制造出了高等自由态的负温度系统，该系统是由钾原子组成的量子气体。^[3]

參見

• 溫度


• 熱力學

参考文献