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提出熱力學第三定律:能斯特誕辰 │ 科學史上的今天:06/25

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。

 

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

 

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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