桌上放一塊石頭,不動(dòng)。 這時(shí),石頭似乎并不是在機(jī)械地運(yùn)動(dòng),而是構(gòu)成石頭的分子、離子、原子等在隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。 分子的這些隨機(jī)運(yùn)動(dòng)稱為分子熱運(yùn)動(dòng)。 熱運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度與濕度有關(guān)。 溫度越高,分子的熱運(yùn)動(dòng)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(huì)相互滲透1毫米。 當(dāng)金和鉛在液氮中被擠壓在一起時(shí),三年后它們相互滲透的深度明顯大于 1 毫米。
分子熱運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱可以用分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能來反映,溫度是平均動(dòng)能的標(biāo)志,溫度越低,分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能越小。 如果溫度進(jìn)一步升高,分子的動(dòng)能是否會(huì)在無限接近絕對(duì)零時(shí)趨近于零?
熱力學(xué)第三定律不允許物體的溫度通過有限的過程上升到絕對(duì)零,自然無法檢驗(yàn)分子在絕對(duì)零時(shí)是否還在熱運(yùn)動(dòng)。 絕對(duì)零似乎遙不可及,科學(xué)家們已經(jīng)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(dāng)溫度接近零時(shí),分子在熱運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)能不會(huì)接近零。 此外,量子熱的構(gòu)造也告訴人們,無論溫度多低,構(gòu)成物質(zhì)的分子都不會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)深入到原子和分子領(lǐng)域時(shí),量子現(xiàn)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(shí)說“原子”、“分子”的時(shí)候,我們把它們看成粒子分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能,而粒子也有波的性質(zhì),波永遠(yuǎn)不可能是靜止的。
還有量子熱力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理,永遠(yuǎn)不可能同時(shí)測(cè)出一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量。 換句話說,對(duì)粒子位置的檢測(cè)越精確,粒子動(dòng)量的不確定性就越大。 粒子具有動(dòng)量,這意味著它在運(yùn)動(dòng)。
量子量熱法還可以估計(jì)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(shí)諧振子能量最小. 由式可知分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能,雖然諧振子的能量最小,但不為零,因此諧振子不會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。 組成物質(zhì)的原子、分子、離子在振動(dòng)時(shí)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(duì)零是不可能達(dá)到的,雖然組成物質(zhì)的分子無論在什么溫度下都在做著不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng),但人類對(duì)低濕度的追求不會(huì)停止。 在高溫世界中,存在超導(dǎo)、超流等奇妙現(xiàn)象。 人類還沒有完全理解這樣奇妙的現(xiàn)象是怎么回事。 人類將繼續(xù)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(duì)構(gòu)成物質(zhì)的分子在高溫世界中的運(yùn)動(dòng)有更深入的了解。