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力学第三定律与爱因斯坦的量子观

科学探索万象经验2023-05-08

1911年10月下旬,31岁的爱因斯坦参加了一个讨论量子力学的会议,名为索尔维大会的精英会议。当时,23位出席会议的科学家中有4位已经获得了诺贝尔奖,另外还有5位也将获得诺贝尔奖,包括爱因斯坦。尽管他关于相对论的想法慢慢获得了关注,但他关于光量子化的激进理论却完全被忽视了。那么爱因斯坦是如何出现在这个量子会议上的呢?答案与化学家瓦尔特·能斯特有关,他创造了热力学第三定律。

能斯特非常擅长实验,在20世纪初他专注于制造氮基肥料。1898年,当时的英国科学家威廉·克鲁克斯确地预测了目前的耕作方法正在耗尽土壤中的氮,随着人口的增长,小麦很快就会耗尽,数百万人将挨饿。克鲁克斯的这句话启发了那一代化学家,能斯特也不例外,因此他开始研究在不同压力和温度下的许多不同的化学反应。

他把热力学原理应用到低温现象和化学反应过程中,发现了一个新的规律:绝对温度在趋近于零时,熵也趋近于零。几个月后,这个定理就被他称为热力学第三定律,但它更像是一个热假设,因为它完全基于实验数据而没有理论推导。然后,能斯特从化学平衡转向了一个全新的物理领域:极低温的世界。

能斯特建立了自己的临时氢液化器,并开始测量物体的比热,比热是物体每升高一度所需的热能。他们很快发现,当物体接近绝对零度时,它们的比热都趋于零。如果比热是零,那么物体不需要热量就可以使温度升高,这意味着物体温度不会停留在绝对零度。换句话说,绝对零度是一个最低极限,也是我们无法达到的极限。

能斯特越来越相信自己正处在一个深刻思想的边缘,但他的理论缺乏理论基础,这一事实阻碍了他的发展。在1909年或1910年初,能斯特注意到1907年专利局职员爱因斯坦发表的一篇晦涩的论文,使用量子力学从理论上证明比热为零。