大部分物理学主要解决研究物质在凝聚态、液态、固态的性质以及这些粒子之间是怎么发生相互作用的？

粒子之间的相互作用一般很微弱，室温下下热扰动占主导地位，因此看不到粒子之间真实的相互作用过程。例如超流和超导，两个电子要结合形成copper pairs，需要将温度降到很低来减少热扰动，否则难以实现。

在这一部分，将会讲述热学的最基本的概念。

Entropy

对于一个没有其它粒子接触的系统，可以用热力学第一定律来描述

$\delta Q=Cv*dT+PdV$

这里δQ是极微小的热量，Cv是一定体积下的热容，两边都除以T以及使用P/T=R/V公式我们可以得出

$\frac{\delta Q}{T}=d(CvlnT+RlnT)$

这样就可以把左侧的δQ/T变为只与起始状态和最终状态相关的值了。再用

dS=δQ/T即可以描述无相互作用气体粒子的两个平衡态数值。

又有

$S-S0=kB*ln\Gamma$

K_B为玻尔兹曼常数，R/NA。Γ是所有可能状态数量。常数S0定义为0K时的熵值。玻尔兹曼熵方程给了大家一个关于熵的物理学图像。同时给出了计算达到某个状态需要的最低温度。

例如要观察铜原子的核磁矩。铜的原子核在运动着，会产生一个磁场来影响周围的铜原子核。那么我们需要冷却到多低的温度才能够实现order spontaneously呢？到达这样一种状态可以显示出磁场的相互作用能。磁场产生的相互作用能量必须是热能K_BT的整数倍。

$\mu N*Bint\cong kB*T$

原子核磁矩常常写成波尔磁矩μN/k_B=3.64e-4K/T,铜有两种同位素63和65。比例是69.1%和30.9%。磁矩是2.223和2.387。假如我们取平均数2.3，那么μN=8.4e-4K/T。B_int=5e-5T。那么计算可以得出要把铜原子冷却到5e-8K才可以看到原子磁矩的相互作用。

Finnish 组的Lounasmaa教授把是铜原子核磁矩1/20倍的银原子冷却到了0.6nK，达到了极限。