绝对零度与量子力学的本质问题

　　热的神秘性质无非是组成粒子的运动，温度只是内部动能的度量。那么，冷的感觉是内部动能的相对缺失。如果我们将温度降得如此之低，以至于所有粒子运动都停止了呢？这种绝对寒冷的状态是开尔文温标中的零点，对应于-273.15摄氏度。
　　许多实验物理学家都试图将物体冷却到绝对零，但量子力学却阻止我们达到绝对零，了解冷的极限将引导我们了解量子真空本身的性质。使用激光和磁场，我们现在已经可以将某些物质冷却到低于十亿分之一开尔文，而这样做也揭示了一些奇异的物质量子态。 低温状态
　　我们都熟悉物质的状态：固态、液态和气态。加热固体，最终它会融化成液体，泵入更多的能量，所有液体都会蒸发成气体。如有更多的能量，气体中的电子会脱离原子，从而成为等离子体状态。在这些物质状态中，粒子具有巨大范围的个体能量，有些快速移动或振动，而有些则较慢，温度只是代表无数粒子的平均动能。
　　虽然理论上物质可以具有任何高于绝对零的温度，但有些组成它的粒子却不能这样。这些粒子是量子的产物，它们只能占据一定的振动或运动能级，很像原子中的离散电子轨道。当我们观察这些粒子在能级之间跳跃时产生的光谱，就会发现这种量子性质，这就是普朗克定律所描述的黑体辐射。
　　量子世界的影响在冷端存在的奇怪物质状态中变得更加明显，其中一个例子是玻色-爱因斯坦凝聚体。当我们从某些物质中汲取能量时，它的粒子会下降到可能的最低能量状态。一旦所有粒子都占据了一个量子态，它们就会共享一个单一的的相干波函数，这导致它们以一种奇怪的集体方式运动，单个粒子不能再被碰撞或推离那个较低的状态，这意味着它们将毫无阻力地流动。
　　在某些固体中，成对的电子——库珀对凝聚成这种状态，它们不受限制地流过材料，使其成为超导体。然而，如果整个物质在达到玻色-爱因斯坦凝聚的温度时能够以某种形式保持流体状态，它就会成为我们所说的超流体。已知有一种物质可以在实验室可能的条件下产生超流体，那就是氦，特别是氦-4。氦-4的总自旋为零，这使其成为玻色子，不必遵守泡利不相容原理。氦-4的另一个特点是它不会冻结，在尽可能低的温度下仍然是液体，其他物体在成为超流体之前就会冻结成固体。
　　零点能量
　　氦的不可冻结性揭示了一个更深层次的量子谜团：物质可以变得多冷是有绝对限制的。理论上，绝对零度意味着没有热能，因此没有任何粒子内部运动。但是，粒子完全静止意味着什么？它的位置是固定的，它的动量是零。然而，量子力学的最基本原理却禁止这样做。在最低温度下，海森堡不确定性原理意味着粒子还会有最小运动，这转化为非常真实的最低温度，这个温度只比绝对零度高一点点。
　　我们将量子系统的最低能量称为零点能量，对于构成任何形式物质的一组粒子，零点能量实际上并不为零，总是会有一点动能剩余，所以温度不可能达到绝对零。这会导致一些更奇怪的现象，例如，充满我们宇宙的量子场也会由于不确定性原理而波动，从而产生我们所知的真空能量。一些量子场在将海森堡带入其中之前就具有固定的非零零点能量，这导致了著名的希格斯机制，也可能导致了暴涨和暗能量现象。