桌上放一塊石頭,不動。 這時,石頭似乎并不是在機械地運動,而是構成石頭的分子、離子、原子等在隨機運動。 分子的這些隨機運動稱為分子熱運動。 熱運動的強度與濕度有關。 溫度越高,分子的熱運動越劇烈。 例如,如果將一塊金和一塊鉛緊緊地壓在一起,在常溫下放置五年后,它們會相互滲透1毫米。 當金和鉛在液氮中被擠壓在一起時,三年后它們相互滲透的深度明顯大于 1 毫米。
分子熱運動的強弱可以用分子熱運動的平均動能來反映,溫度是平均動能的標志,溫度越低,分子熱運動的平均動能越小。 如果溫度進一步升高,分子的動能是否會在無限接近絕對零時趨近于零?
熱力學第三定律不允許物體的溫度通過有限的過程上升到絕對零,自然無法檢驗分子在絕對零時是否還在熱運動。 絕對零似乎遙不可及,科學家們已經能夠通過不同的方式將物體的溫度提高到開爾文的千分之一以下。 當溫度接近零時,分子在熱運動過程中的動能不會接近零。 此外,量子熱的構造也告訴人們,無論溫度多低,構成物質的分子都不會停止運動。
當深入到原子和分子領域時,量子現象將更加顯著。 微觀世界中的粒子具有波粒二象性。 我們平時說“原子”、“分子”的時候,我們把它們看成粒子分子熱運動的動能,而粒子也有波的性質,波永遠不可能是靜止的。
還有量子熱力學的測不準原理,永遠不可能同時測出一個粒子的位置和動量。 換句話說,對粒子位置的檢測越精確,粒子動量的不確定性就越大。 粒子具有動量,這意味著它在運動。
量子量熱法還可以估計粒子可能具有的最低能量。 以一維諧振子模型為例,諧振子的能量為(n+1/2)hω/2π,最小n為0,此時諧振子能量最小. 由式可知分子熱運動的動能,雖然諧振子的能量最小,但不為零,因此諧振子不會停止運動。 組成物質的原子、分子、離子在振動時可以用諧振子模型來處理,由此可見無論溫度如何,物體分子的能量都不可能為零。
雖然絕對零是不可能達到的,雖然組成物質的分子無論在什么溫度下都在做著不規則的熱運動,但人類對低濕度的追求不會停止。 在高溫世界中,存在超導、超流等奇妙現象。 人類還沒有完全理解這樣奇妙的現象是怎么回事。 人類將繼續探索高溫世界,分析研究其中的種種奇觀。 幾年或六年后,人類將對構成物質的分子在高溫世界中的運動有更深入的了解。