温度可以低到什么程度?冷到骨髓?冷到冰封?这些都太温柔了。物理学上有一个终极温度:绝对零度,−273.15°C,也就是摄氏温度计的起点。 这个温度不仅能让一切物质冻结,更可怕的是,它甚至能让时间“失效”。 【01】绝对零度,不只是“最冷”,而是“彻底归零”我们平时说温度,是指原子、分子在“动”的程度。水分子振动快了,它就是热水;动得慢,就是冷水;动得极慢,结成冰。 但如果你把分子的运动慢到极限,会发生什么? 展开剩余89%在这个温度下,粒子的动能几乎降为零,所有内部运动都停止。没有振动、没有旋转、没有热交换。整个系统进入一种几乎完美的静止状态。就是绝对零度。 这个极限温度并非人类拍脑袋想出来的,而是科学实验和理论推导的结果。 19世纪初,物理学家在研究气体冷却时发现,随着温度降低,气体体积趋近某个极限。 1848年,英国物理学家威廉·汤姆森(即开尔文勋爵)首次提出这个下限温度,并定义为“绝对零度”,也就是我们今天所说的开尔文温标起点:0K ≈−273.15°C。 从热力学角度看,绝对零度意味着系统的熵趋于零。熵是衡量混乱与信息变化的单位,而时间就是依附在“变化”之上。 所以在这个点上,如果粒子不再变化,时间也就“停止了”。 【02】这个温度有多冷?宇宙都降不到你可能觉得宇宙很冷,星际空间一片黑暗,应该接近绝对零度了吧? 答案是没有。宇宙中弥漫着一种温柔而持续的“背景热量”——宇宙微波背景辐射,它是大爆炸留下的热余波,温度大约是2.725K(也就是−270.425°C)。 这看起来已经非常接近0K了,但就是这最后的2.7度,是整个宇宙都降不下来的距离。 根据热力学第三定律,任何系统都无法通过有限次操作将自身温度降至绝对零度。哪怕你用再多能量冷却、再长时间等待,最后一步总是卡在那里:只能无限接近,无法抵达。 那么,宇宙中有没有比背景辐射还冷的地方?有。 在距离地球约5000光年的半人马座方向,有一个诡异的星云叫做回力星云。它的温度只有1K(-272.15°C),比宇宙背景辐射还低! 这不是自然冷却的结果,而是因为其中心恒星在死亡前剧烈喷发物质,气体极度膨胀,像“宇宙级空调”一样带走热量,造成了这个宇宙最冷的自然天体。 【03】人类能造出多冷的温度?虽然宇宙自然状态无法到达绝对零度,但人类实验室却能“制造极冷”。 2021年,德国不莱梅大学在一次原子冷却实验中,利用激光减速+磁场蒸发冷却技术,将团钾原子降温至38×10⁻¹²K(-273.149999999962°C)。这是截至目前,人类制造的最低温度纪录,这比宇宙背景还冷了近700亿倍。 他们的方法是:用激光“对着原子反方向打”,让它们“失速”,然后再通过磁场剥离高能原子,留下低能部分——就像在一群快跑的人中,把跑得快的都请出场,剩下的就越来越慢、越来越冷。 这不是“冷空气”,而是冷到粒子不再运动。这类实验为我们观察“极限物质状态”打开了量子世界的大门。 【04】当一切被冻结,物理规律开始变得陌生在这些近绝对零度的实验中,科学家们发现了一种诡异现象:物质开始“合体”。 1995年,美国科学家用激光冷却将铷原子降至数十纳开尔文(nK)。这些原子不再各自为战,而是集体进入同一个最低能量状态,变成一个统一的“量子实体”。 这就是玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC),一种全新的物质形态。原子之间的量子波函数开始重叠,它们不再是“一个个粒子”,而是一个整体。“我是谁”不再重要,它们是“我们”。 还有一种现象叫做超流态。液氦在2.17K以下会进入超流状态,表现出惊人的无粘性,可以沿着容器壁爬升、穿过微孔、在管道中永不停止地流动。 这种行为背后,是宏观量子效应的出现:粒子就像一支训练有素的军队,以完全协调一致的方式运动。 但在常温世界,这种现象根本不可能存在。 【05】如果真的达到绝对零度,时间会不会停止?这是个物理学与哲学交汇的问题。 在热力学中,时间的“箭头”来自熵的变化。系统越混乱,熵越高,时间就越明显地“向前”。 而在绝对零度,熵为零,粒子不再运动,状态不再变化——时间,就像一条没有方向的线,停在原地。 假如你能把一个原子系统完美封闭、冷却到绝对零度,它就像被封存进“时间胶囊”。没有变化,没有信息流动,也就没有“过去”与“未来”的区分。 当然,这是理论推演。现实中,你无法完全阻隔宇宙微波背景的干扰,无法制造绝对绝热条件,所以真正“冻结时间”的实验永远只是接近,而非实现。 但这仍然是一种震撼性的想象:冷到极致,连“时间”都不想动了。 【06】绝对零度无法达到,但靠近它的过程改变了世界尽管我们永远无法到达0K,但人类每一次“向它靠近”,都在打开一个新世界。 超导体,就是其中之一。在接近0K时,一些金属材料会突然电阻归零,电流可以无限流动。这一现象正被应用在量子计算、磁悬浮列车、核磁共振、粒子加速器等前沿科技中。 原子钟,利用低温下原子能级跃迁的极高稳定性,成为人类已知最精准的计时设备,误差可低至3000万年仅1秒。 量子计算机,必须在接近0K的环境中运行,才能屏蔽热扰动,保持量子比特的纠缠态。 甚至,科学家正在研究“冷冻光子”:通过极冷环境控制光的速度与行为,未来可能用于构建光子信息处理系统。 可以说,绝对零度不是终点,而是人类认知的起点。我们无法触碰它,但在靠近它的过程中,不断颠覆世界。 总结绝对零度不是一个温度,它是自然设置的“不可抵达之门”。 它冷到连时间都不再前进,冷到粒子放弃了身份,冷到物理规律自己开始重写。 我们无法到达它,但靠近它的每一步,都是人类智慧的奇迹。 发布于:广东省 |