Decoherence at absolute zero
热力学第三定律

热力学第三定律热力学是一门研究物质能量转化和传递规律的科学,它对于我们理解物质世界的运行机制至关重要。
在热力学中,有一个被称为热力学第三定律的重要法则,它是关于温度和物质性质之间的关系。
热力学第三定律是由瓦尔特尔(Walther Nernst)在1906年提出的,它是在研究物质在零度绝对温度附近的行为时所得出的重要规律。
该定律的表述较为复杂,但其实质是指任何物质在零度绝对温度(-273.15摄氏度)时,其熵(即随机程度)趋近于零。
在理解热力学第三定律之前,我们先来简单了解一下熵的概念。
熵是热力学中一个核心概念,它描述了物质的无序程度或者说随机程度。
当物质的熵越高,可以认为物质的无序程度越高,反之,熵越低,无序程度越低。
根据热力学第三定律,当温度趋近于绝对零度时,物质的熵趋近于零。
也就是说,在绝对零度时,物质的无序程度达到最低,接近于一个完全有序的状态。
这个状态被称为绝对零度极限。
绝对零度是热力学温度的下限,也是所有温度的基准点,它对应于物质所有原子和分子的基态状态。
在绝对零度下,物质的分子将停止运动,不再具有热能,也就是说,任何物质在绝对零度时都没有热能。
热力学第三定律在科学研究中具有重要的意义。
首先,它为我们提供了一个温度的基准点,方便我们研究物质在不同温度下的性质和行为。
其次,它对于研究凝聚态物质的性质变化、相变等方面有着重要的指导意义。
此外,热力学第三定律还被应用于研究冷冻技术、超导材料等领域。
研究者们为了验证热力学第三定律,进行了大量实验研究。
通过使用低温技术和实验手段,研究人员成功地制冷物体至接近绝对零度的温度,并在这些实验中观察到物质的熵趋近于零的现象,从而证明了热力学第三定律的正确性。
总之,热力学第三定律是热力学中的重要法则,它揭示了温度和物质无序程度之间的关系。
这一定律在科学研究和技术应用中具有重要的意义,为我们认识物质世界提供了重要的理论基础。
通过对热力学第三定律的深入研究,我们可以更好地理解和探索物质的性质变化规律。
热力学第三定律与物质的规定熵

热⼒学第三定律是在很低的温度下研究凝聚体系的熵变的实验结果所推出的结论。
它解决了如何通过实验测求规定熵的问题。
热⼒学第三定律有好⼏种表述⽅法,这些表述⽅法字⾯上虽然各不相同,但其内容实质具有⼀定的联系和等效性。
对热⼒学第三定律的⼀种基本表述为:“不能⽤有限的⼿续把⼀个物体的温度降到绝对零度”。
⽽化学热⼒学中最普遍采⽤的表述
为:“在绝对零度时任何纯物质的完整晶体的熵等于零”。
这⾥所谓完整晶体是指晶体中的原⼦或分⼦都只有⼀种排列形式。
热⼒学第三定律的内容与熵的概念是⼀致的。
在绝对零度时,纯物质的完整晶体中,所有的微粒都处于理想的晶格结点位置上,没有任何热运动,是⼀种理想的完全有序状态,⾃然具有最⼩的混乱度,所以其熵值为零。
根据热⼒学第三定律S.=0,利⽤热⼒学的⽅法,热化学测量,可以求得纯物质的完整晶体从绝对零度加热到某⼀温度T的过程的熵变△S(T),(真正的完整晶体和绝对零度都是达不到的,实际上⽤在相当接近这⼀理想状态的条件下得到的实验结果外推后,⽤图解积分的⽅法求得的)。
因为:△S(T)=ST—S0,⽽S0=0,所以ST=△S(T),即⽤上述⽅法测得的熵变△S(T),就等于在温度T时,该物质的熵值,称为该物质的规定熵。
由此可定义:
在标准状态下,1mol纯物质的规定熵,即为该物质的标准摩尔规定熵,简称物质的标准熵。
以Sm(-)表⽰,单位是J·K-1·mol-1.应该注意,任⼀种稳定单质的规定熵和标准熵值都不为零。
这是与物质的标准⽣成焓不同之处。
热力学第二定律

第三章热力学第二定律前面,所学的热力学第一律,是以“能量守恒原理”为基础,建立了U和H两个热力学函数,通过对过程ΔU和ΔH的计算,解决了过程的热效应问题。
然而,在一定条件下,一过程能否自动进行,进行到什么程度,亦即,过程的方向和限度问题,第一定律无能为力,这恰恰是第二定律所要解决的问题。
人类经验表明:一切自然界的过程都是有方向性的。
大家都知道:自然界中存在朝一定方向自发进行的过程,例如:热自动从高温物体传向低温物体,直至两物体温度相等;气体自动地从高压区流向低压区,直至各处压力相同,相互接触的不同气体,总是自动的相互混合均匀;电流总是从高电流处流向低电流处直至各处电势相等:浓度不均匀的溶液,自动地变成浓度均匀一致。
等等,这些过程都是可以自动进行的,叫“自发过程”。
显然,一切自然界的过程都是有方向性及一定的进行限度。
从未发现哪一自发过程可自动恢复原状。
为什么自发过程的逆过程不能自动进行?这就是第二定律所要解决的中心问题—判断过程的方向和限度问题。
究竟什么因素决定自发过程的方向和限度?从表面上看,似乎不同的过程,有着不同的决定因素。
如,决定热传导方向和限度的是温度T;决定气体流动的是压力p;决定电流的是电势V;等等。
决定化学反应的是什么?这就要找出:决定一切自发过程方向和限度的共同因素,以此作为判断的共同根据。
寻找一切自发过程方向和限度的判据,这就要研究自发过程的共同特征,根据经验总结热功转化规律,找出反映自发过程本质特征的状态函数—S,以ΔS判断过程的方向和限度。
进而又S据判据在特殊条件下,推演出了A、G状态函数,从而,得到更方便更实用的判据ΔA、ΔG。
§3.1自发变化的共同特征—不可逆性前已述及,一切自发过程都是有方向性的,亦即,自发过程进行之后,系统不能自动恢复原状。
若要让其恢复原状,环境中有什么变化?若让环境也复原,需要什么条件?现举例说明。
1. 理想气体向真空膨胀过程。
这是一个自发过程,当气体向真空膨胀时,Q = 0,W = 0,ΔU=0,ΔT=0。
热力学的第三定律和熵的计算

热力学的第三定律和熵的计算热力学是研究能量转化和能量流动的科学,是物理学的一个重要分支。
而熵是热力学中一个重要的概念,用来描述物质的无序程度。
热力学的第三定律则是熵的计算中的一个基本原理。
本文将探讨热力学的第三定律和熵的计算。
熵是热力学中一个非常重要的概念,它用来描述物质的无序程度。
简单来说,熵越高,物质的无序程度越大。
熵的计算可以通过热力学的第三定律来完成。
热力学的第三定律是指在绝对零度时,所有物质的熵都为零。
这意味着在绝对零度下,物质的无序程度为零,即完全有序。
熵的计算可以通过以下公式来完成:S = k ln W,其中S表示熵,k表示玻尔兹曼常数,W表示系统的微观状态数。
这个公式表明,熵与系统的微观状态数有关。
当系统的微观状态数越多时,熵越大,系统的无序程度越高。
在熵的计算中,热力学的第三定律发挥了重要的作用。
热力学的第三定律指出,在绝对零度时,所有物质的熵都为零。
这意味着在绝对零度下,物质的无序程度为零,即完全有序。
这个定律为熵的计算提供了一个基准,使得我们可以用熵的变化来描述物质的无序程度的变化。
熵的计算在实际应用中有着广泛的应用。
例如,在化学反应中,我们可以通过计算反应前后的熵的变化来判断反应的进行方向。
如果反应前后的熵增大,那么反应是自发进行的;如果反应前后的熵减小,那么反应是不自发进行的。
这个原理在化学工程中有着重要的应用,可以帮助我们设计更高效的化学反应。
另外,熵的计算还可以用来描述热力学系统的稳定性。
根据熵的计算结果,我们可以判断系统是否趋向于更有序的状态还是更无序的状态。
如果系统的熵增大,那么系统趋向于更无序的状态,即不稳定的状态;如果系统的熵减小,那么系统趋向于更有序的状态,即稳定的状态。
这个原理在材料科学中有着重要的应用,可以帮助我们设计更稳定的材料。
总之,热力学的第三定律和熵的计算是热力学中的两个重要概念。
熵可以用来描述物质的无序程度,而熵的计算可以通过热力学的第三定律来完成。
“物质第五态”:玻色–爱因斯坦凝聚(BEC)

“物质第五态”:玻色–爱因斯坦凝聚(BEC)气体、液体、固体,几乎是人人尽知的中学教科书中物质形态的内容。
但是,教科书绝不会是一成不变的,它要根据科学研究的新发现而不断更新完善。
这是链科技小编今天的话题。
英国《自然》杂志日前发表一项物理学研究:科学家在太空首次创造了“物质的第五态”——玻色—爱因斯坦凝聚(BEC)。
如此一来,教科书的物质形态又要扩容了。
玻色—爱因斯坦凝聚,描述起来,可以认为是低密度原子气体冷却到接近绝对零度并且坍缩成非常致密的量子态时形成的物质状态。
该状态具有惯性力感应极小的特性,使做自由落体运动以提高测量重力加速度的灵敏度。
该研究有助于人类对引力波、广义相对论和量子力学的研究。
该项成果来自德国汉诺威大学研究人员,是在微重力下的物质波干涉测量方面取得的重大进步。
实验在1.6秒内产生约10万个原子,研究团队在6分钟的太空飞行中,进行80多次实验。
这项研究起因于1925年爱因斯坦的预言,按照玻色—爱因斯坦统计理论,随温度逼近绝对零度,原子会大量聚集于最低的能量状态上,这种聚集越来越多,直至所有原子都处于这一个能量状态上,整体呈现一个量子状态,所有原子形同一个原子。
这种状态被命名为玻色—爱因斯坦凝聚,也被称为气态、液态、固态、等离子态之外的“物质第五态”。
链科技成果库项目:一种根治植物种子耐寒性的量子设备。
包括相互匹配的传送带以及传动轮,传送轮的两侧对称设置有轮支架,传送轮安装在轮支架之间,底架上部设置有底板,底板上部依次排列设置有清洗箱、烘干箱、防冻剂喷洒箱以及烘干箱,清洗箱上部设置有量子水转化设备,清洗箱顶壁的下表面设置有量子水喷头,量子水喷头与量子水转化设备连通。
防冻剂喷洒箱的上部设置有防冻剂储存设备,防冻剂喷洒箱顶壁的下表面设置有防冻剂喷头,防冻剂喷头与防冻剂储存设备连通;清洗箱、烘干箱以及防冻剂喷洒箱的两侧均设置有便于种子运输的方孔。
本实用新型能够提高甚至根治植物种子的耐寒性,同时也降低了种子储存成本。
真空零点能

零点能量子理论预示,真空中蕴藏着巨大的本底能量,它在绝对零度条件下仍然存在,称为零点能(Zeropointenergy)。
对卡西米尔(Casimir)力(一种由于真空零点电磁涨落产生的作用力)的精确测量,证实了这一物理现象。
许多科学家和发明家为提取零点能进行了长期的理论和实验研究。
对于真空零点能和挠场(Torsion field,spin field)的深入研究,将引起科学和技术的巨大变革。
所有的自然现象都与真空相关,引力和惯性来自真空零点涨落,生物的起源和进化应考虑零点能和自旋场,因为零点场携带着有意义的信息。
现代科学认为真空并不意味着一无所有,真空是由正电子和负电子旋转波包组成的系统,有些俄罗斯科学家把这种波包被称为菲顿(Phyton)。
菲顿是相互嵌入的,其自旋是反向的,因此整个系统不仅是电中性的,而且自旋和磁矩都获得补偿,并充满着各种各样的动态量子过程,这种过程的动态能量可以作为工业能源、未来星际航行能源以及家庭生活等诸多领域的能源。
量子真空是一个非常活跃的空间,它充满时隐时现的粒子和在零点线值上涨落的能量场。
而与这种现象伴生的能量,被称为零点能,也就是说,即使在绝对零度,这种真空活性仍然保持着。
其实,早在1891年,科学家忒斯拉(Nikola Tesla)在一次演讲中就提到:几个世纪之后,也许我们可以从宇宙中的任意一点提取能量来驱动我们的机械。
用今天的科学语言解释,这种能源就是真空零点能,或称空间能、自由能、宇宙能等。
传统的观念认为物理真空是一个能量最小的系统,不能从这样一个系统中取出能量。
但应该看到的是,物理真空是一个具有强烈波动的动态系统,它可能是一种能源。
许多有独特见解的科学家很早就开始注意到利用卡西米尔效应作为替代的能源。
休斯公司研究室的R. Forword在1984年就提出了利用带电荷薄膜导体内聚现象从真空中提取电能[Phys .Rev. B60, 14,740(1984)]。
热力学第三定律
理论解释局限性
微观解释不足
虽然热力学第三定律在宏观层面上得到 了广泛应用,但在微观层面上,其理论 解释仍显不足。如何进一步从微观角度 解释和理解热力学第三定律,是理论面 临的局限性之一。
VS
与其他定律的关联
热力学第三定律与其他热力学定律之间存 在紧密的联系。如何在理论上更深入地揭 示这些定律之间的内在联系,是一个尚未 完全解决的问题。
未来研究方向与挑战
01
拓展应用领域
目前热力学第三定律主要在物理学、化学等领域得到了应用。未来可以
进一步拓展其在材料科学、生物医学等领域的应用,为这些领域的发展
提供新的理论支持。
02
寻求更精确的理论解释
随着科学技术的不断发展,对热力学第三定律的理论解释精度要求也越
来越高。未来可以通过引入新的数学工具、物理模型等方法,寻求术
为了提高实验验证的准确性和效率,未来可以探索新的低温实验技术,
提高测量设备的精度和稳定性,为热力学第三定律的实验研究提供有力
支持。
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后续发展
随着研究的深入,热力学第三定律 得到了进一步的验证和完善,成为 热力学领域的基本定律之一。
热力学第三定律的重要性
完善热力学理论体系
热力学第三定律的提出和完善,使得热力学理论体系更加完整和 严密。
指导低温工程实践
在低温工程领域,热力学第三定律提供了对熵和温度之间关系明确 规定,为低温工程实践提供了理论指导。
第三定律与熵的基准
热力学第三定律为熵的基准提供了依据,即在绝对零度时, 完美晶体的熵为零。这为其他物质熵的计算提供了参考。
热力学第三定律的数学表述
能斯特热定理:热力学第三定律可通过能斯特热定理进行数学表述,即 $\lim_{{T \to 0}} S(T) = S_0$,其中 $S_0$ 是绝对零度时的熵值。
5解释玻色——爱因斯坦凝聚现象
5解释玻色——爱因斯坦凝聚现象
玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation)是一种在极低温下发生的物质状态,它是由印度物理学家萨提亚德拉·玻色(Satyendra Nath Bose)和阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪早期预
测的。
在这种凝聚态中,大量的玻色子(一类特殊的基本粒子,如
光子、重子等)聚集在能级的最低态,形成一种凝聚体,这种状态
在经典物理学中是不可能出现的。
当物质被冷却到接近绝对零度时,粒子的波长开始增大,使得它们开始表现出波动性,多个粒子开始
占据同一个量子态,最终形成玻色-爱因斯坦凝聚。
玻色-爱因斯坦凝聚具有一些独特的物理特性,例如超流动和相
干性。
超流动是指在凝聚体中,粒子不受粘滞力的限制,可以自由
地流动而不损失能量。
相干性则意味着凝聚体中的粒子具有相同的
相位,表现出统一的波动行为。
这些特性使得玻色-爱因斯坦凝聚成
为研究量子现象和开发新型激光器、原子钟等技术的重要工具。
玻色-爱因斯坦凝聚的研究对于理解凝聚态物理学和量子物理学
有着深远的影响。
它不仅为我们提供了一种新的物质状态,也为研
究低温物理学和量子信息领域提供了新的途径和实验平台。
因此,
玻色-爱因斯坦凝聚现象在物理学和相关领域中具有重要的意义。
热力学第三定律的理解与应用案例
热力学第三定律的理解与应用案例热力学第三定律是热力学中的一个基本原理,它给出了在温度趋近于绝对零度时物质性质的特殊表现。
本文将深入探讨热力学第三定律的理解以及一些相关的应用案例。
一、热力学第三定律的基本原理及理解热力学第三定律是指在绝对零度(0K)时,任何物质的熵(entropy)值趋近于零。
熵可以理解为一种物质的有序度或者混乱度的度量,它是描述热力学系统中纳米尺度的微观排列状态的参数。
根据热力学第三定律,当温度趋近于绝对零度时,物质的排列方式趋于最低能量状态,因此熵值趋近于零。
这意味着在绝对零度时,物质的性质将达到最纯净的状态,不存在杂质或者不确定性。
热力学第三定律的理解对于研究物质的性质和行为有着重要的意义。
该定律揭示了绝对零度下物质的行为规律,为进一步研究固体材料的物理和化学性质提供了基础。
二、热力学第三定律的应用案例1. 储能材料研究热力学第三定律的理解在储能材料的研发中有着重要应用。
储能材料是指能够在外界条件下储存大量能量并在需要时释放出来的物质。
研究储能材料的性质和行为对于能源领域的发展具有重要意义。
通过热力学第三定律的理解,科学家们可以研究材料在低温下的热容量和熵变等热力学参数,从而优化储能材料的设计和储能效率。
例如,一些高温超导材料的研究就是建立在热力学第三定律的基础上,通过将材料冷却到极低温度,使其表现出超导的特性,从而实现能量的高效传输和储存。
2. 生物物理学研究热力学第三定律的应用还可以扩展到生物物理学领域。
生物物理学是研究生物系统中物质和能量转化的科学领域,深入理解生物体内的热力学过程对于疾病治疗、生命科学研究等具有重要的意义。
热力学第三定律的应用使得科学家们可以更好地理解细胞内分子的热运动和熵变过程,从而揭示细胞代谢、蛋白质折叠等生物学过程的奥秘。
例如,在药物设计和开发中,研究人员可以通过对于药物与目标蛋白之间的熵变的计算和分析,来预测药物的活性和亲和性,从而提高药物研发的效率。
真空零点能
真空零点能
真空零点能是在绝对零度条件下存在的本底。
关于零点能的设想来自量子力学的一个著名概念:海森堡测不准原理。
该原理指出:不可能同时以较高的精确度得知一个粒子的位置和动量。
因此,当温度降到绝对零度时粒子必定仍然在振动;否则,如果粒子完全停下来,那它的动量和位置就可以同时精确的测知,而这是违反测不准原理的。
这种粒子在绝对零度时的振动(零点振动)所具有的能量就是零点能。
要证明零点能量存在,量子场论中最简单的实验证据是卡西米尔效应(Casimir effect)。
此效应是在1948年由荷兰物理学家亨得里克·卡西米尔所提出,其考虑了一对接地、电中性金属板之间的量子化电磁场。
可以在两块板子间量测到一个很小的力(卡西米尔力),可直接归因于板子间电磁场的零点能量变化所造成。
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tion of the quantum system via Schr¨odinger’s equation, one needs to postulate [1] ad hoc that the state of the system “collapses” into one of the possible classical outcomes selected by a measuring apparatus. This point of view, which is popularly known as the Copenhagen interpretation, explicitly requires the existence of a classical measuring apparatus. It is clearly unsatisfactory that for its interpretation quantum mechanics needs to rest upon classical mechanics, which it is supposed to supersede. A more general theory usually subsumes a less general one as for instance, the special theory of relativity contains Newtonian physics as a special case. One can formulate the special theory of relativity independent of Newtonian physics. The situation is much less satisfactory for quantum mechanics. The basic problem stems from the superposition principle, which is one of the corner stones of quantum mechanics. This principle states that if two states of a system are allowed, an arbitrary linear combination of them also is. As a consequence, these two allowed states can occur with a definite phase relation. It is this “coherent superposition” of alternatives which is in apparent conflict with everyday experience. Coherent superposition gives rise to the possibility of interference between alternatives, in some sense that both alternatives simultaneously occur. This is best illustrated by Schr¨odinger’s cat paradox. One can devise a situation in which the life of a cat depends on whether a radioactive nucleus has decayed. This makes the state of a macroscopic object (the cat) depend on the state of a microscopic one (the nucleus). If the state of the nucleus is in a superposition of two states (decayed and not decayed), the cat too will have to be in a superposition of two states - alive and dead. This thought experiment brings out the absurd nature of quantum mechanics, when it is applied to the macroscopic world. This is sometimes referred to in the physics community as “the measurement problem” [2]. There have been many attempts to address this problem, but unfortunately, with very little progress.
arXiv:quant-ph/0505056v1 9 May 2005
Decoherence at absolute zero
Supurna Sinha∗
Raman Research Institute. Bangalore 560 080. India
Abstract
We present an analytical study of the loss of quantum coherence at absolute zero. Our model consists of a harmonic oscillator coupled to an environment of harmonic oscillators at absolute zero. We find that for an Ohmic bath, the offdiagonal elements of the density matrix in the position representation decay as a power law in time at late times. This slow loss of coherence in the quantum domain is qualitatively different from the exponential decay observed in studies of high temperature environments.
2
by the possibility of probing the boundary between the microscopic and the macroscopic worlds via increasingly sophisticated experiments [4]. In this open-system approach to quantum measurement, one models the quantum system as a free particle in a potential V (x) and its environment as a collection of harmonic oscillators [5,6]. The effective dynamics of the quantum system is then studied by “ignoring” the environmental degrees of freedom. More precisely, the dynamics of the reduced density matrix (which is obtained from the full density matrix of the system plus the environment by tracing out the environmental degrees of freedom) is analyzed. This approach leads to the conclusion that quantum coherence between two Gaussian wave-packets separated by a distance ∆x, decays exponentially over a time-scale known as the decoherence time τD = γ−1(λTh/∆x)2, where λTh is the thermal de Broglie wavelength and γ the relaxation rate of the system. In other words, a superposition of states cannot be observed if the system is probed at time scales greater than τD. Thus one seems to get an explanation for the loss of quantum coherence within the framework of quantum mechanics. However, most of these studies take the high temperature (T → ∞) limit for analytic convenience. While such an assumption leads to some technical simplifications it is inadequate from a conceptual point of view. Since the high temperature limit (T → ∞) is equivalent to the classical limit (h¯ → 0) such an analysis seems to require classical mechanics for understanding the decoherence aspect of quantum mechanics just as in the Copenhagen interpretation.