晶格振動與聲子
零點振動
我們被教導說,絕對零度,那個能有的最冷溫度,是一切運動停止之處。量子力學卻另有說法。即便你已經把每一絲熱都抽乾,晶體裡的原子仍在以一種微弱、無法去除的顫抖不停地哆嗦。這殘留的抖動,就叫零點振動。
它來自量子理論的核心:一個粒子無法同時既處在完全確定的位置、又完全靜止不動。倘若一個原子被凍在它的格點上、運動恰好為零,那就把它的位置和速度都釘得太精確了,而這是不確定性原理所不允許的。於是自然作了個折衷——每一種振動都保留著最低的一縷能量,叫作零點能,任憑怎麼冷卻都拿不走。
零點振動之所以重要,是因為它生動地證明了:量子世界從不曾真正歇息,而且它有實實在在的後果:氦之所以一路到絕對零度都保持液態、不肯結冰,正是因為它的原子太輕、太愛抖,安頓不下來變成固體。該退休的常見誤解,是那幅絕對零度下完美靜止、凍得死透的晶體圖景——原子仍在嗡嗡作響,只不過停在了那無法再減的量子最低限。
把氦氣隨你高興地一路冷卻下去,它在自身的壓強下也拒絕結冰,一直到絕對零度都保持著液態。這要歸咎於零點振動:氦的原子太輕,它們那無可避免的量子哆嗦,會把它們試圖組成的任何固體都晃散開。
液氦自身永不結冰:零點振動會把任何固體晃散。
零點振動並不是你能抽取出來的「免費能量」:你無法靠它驅動機器,因為再沒有更冷的地方供能量流向。它是能量階梯的地板,而不是一隻油箱。
又稱
另見