提出熱力學第三定律：能斯特誕辰 │ 科學史上的今天：06/25

2015/06/25 |

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古希臘哲學家芝諾（Zeno）曾提出阿基里斯永遠追不上烏龜的悖論：每當阿基里斯追到烏龜原來的位置時，烏龜又往前爬了一小段距離；阿基里斯再追到烏龜新的位置時，烏龜又前進了一點；如此不斷下去，雖然差距不斷縮小，卻永遠追不上。

可先不要對這荒謬的悖論嗤之以鼻，因為在某種特殊狀況下，它真的會在真實的物理世界中上演。德國物理學家能斯特（Walther H. Nernst, 1864–1941）就是因此才在 1906 年提出熱力學第三定律，證明物體的溫度絕對不可能冷卻到絕對溫度零度，也就是攝氏零下 273.15 度。

雖然開爾文爵士早在 1848 年就訂出絕對溫度。而根據法國科學家查爾斯（J. A. C. Charles）1787 年所做的氣體實驗而推導出的查爾斯定律，在固定壓力下，理想氣體的體積與絕對溫度成正比，而且當溫度降到絕對零度時，體積會變成零，因此不可能會有更低的溫度。不過，所謂體積變成零畢竟是用外推法推算的，而且氣體在接近絕對零度時就已不再是氣態，也不是液態或固態，而是一種稱為「愛因斯坦-玻色凝聚」的全新相態，因此不能憑此斷定絕對零度是溫度下限。

直到 1906 年，能斯特在研究低溫條件下的化學反應時，才發現在等溫過程中（兩個物體或系統彼此接觸後，溫度會趨於相同），當趨近於絕對零度時，熵的變化會趨近於零，也就是無法再改變物體或系統的溫度，因此能斯特指出：「不可能用任何方法，在有限的步驟內將系統的溫度降到絕對零度。」這就像阿基里斯永遠追不上烏龜一樣。

能斯特因為發現熱力學第三定律而獲頒 1920 年的諾貝爾化學獎。他還與普朗克一起說服愛因斯坦於 1914 年回柏林大學任職，然而他自己卻因為公開批評希特勒，而在 1933 年被迫退休，八年後病死家中，來不及見到納粹政權垮台。