晶格振动与声子
零点振动
我们被教导说,绝对零度,那个能有的最冷温度,是一切运动停止之处。量子力学却另有说法。即便你已经把每一丝热都抽干,晶体里的原子仍在以一种微弱、无法去除的颤抖不停地哆嗦。这残留的抖动,就叫零点振动。
它来自量子理论的核心:一个粒子无法同时既处在完全确定的位置、又完全静止不动。倘若一个原子被冻在它的格点上、运动恰好为零,那就把它的位置和速度都钉得太精确了,而这是不确定性原理所不允许的。于是自然作了个折衷——每一种振动都保留着最低的一缕能量,叫作零点能,任凭怎么冷却都拿不走。
零点振动之所以重要,是因为它生动地证明了:量子世界从不曾真正歇息,而且它有实实在在的后果:氦之所以一路到绝对零度都保持液态、不肯结冰,正是因为它的原子太轻、太爱抖,安顿不下来变成固体。该退休的常见误解,是那幅绝对零度下完美静止、冻得死透的晶体图景——原子仍在嗡嗡作响,只不过停在了那无法再减的量子最低限。
把氦气随你高兴地一路冷却下去,它在自身的压强下也拒绝结冰,一直到绝对零度都保持着液态。这要归咎于零点振动:氦的原子太轻,它们那无可避免的量子哆嗦,会把它们试图组成的任何固体都晃散开。
液氦自身永不结冰:零点振动会把任何固体晃散。
零点振动并不是你能抽取出来的「免费能量」:你无法靠它驱动机器,因为再没有更冷的地方供能量流向。它是能量阶梯的地板,而不是一只油箱。
又称
另见