連“光”都能凍??！-273.15度的“絕對零度”，到底是什么概念？

溫度是什么？

聽到這個問題，你可能會覺得，溫度不就是一個東西有多冷多熱嗎？這么說當(dāng)然沒錯。而且早在16世紀(jì)初，伽利略就已經(jīng)發(fā)明了簡單的測溫儀，來測量溫度。

但如果繼續(xù)追問一步，我們測出來的溫度到底反映了什么呢？

是不是不那么好回答了？其實，溫度是組成物質(zhì)的分子、原子或更小粒子們熱運動的宏觀表現(xiàn)?？梢哉f，測出來的溫度越高，粒子熱運動越劇烈。

那接下來問題就來了，溫度有沒有上限和下限呢？

科學(xué)家從理論上推測，溫度會有一個上限，叫做普朗克溫度。不過，這個溫度非常非常高，有1.4億億億億攝氏度。這個溫度僅僅在宇宙誕生之初那一瞬間存在，在如今人類生活的宇宙中已經(jīng)不可能抵達(dá)這個上限，所以在日常生活中，溫度的上限已遠(yuǎn)超人類的想象。

那溫度有沒有下限呢？可以肯定地說，溫度是有下限的。這是由溫度的定義決定的。當(dāng)一個物體內(nèi)所有的粒子熱運動都停止的時候，物體就達(dá)到了溫度的下限。這個下限，叫絕對零度，絕對零度的溫度等于0開爾文 （K），也就是-273.15攝氏度 （℃）。

這是什么概念呢？

根據(jù)吉尼斯世界紀(jì)錄，地球上最冷的地方——位于南極洲，最低氣溫是零下89.12攝氏度。常用來制冷的液氮僅僅只有-196℃ ，也就是77 開爾文，就連最好的制冷劑液氦也一般就達(dá)到-269℃ ，這是4.2開爾文。

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這個溫度離絕對零度已經(jīng)看起來只有毫厘之差。那么如果再努努力，能否達(dá)到絕對零度呢？

前面說過，當(dāng)溫度到達(dá)絕對零度時，分子、原子的熱運動就會停止，如同徹底被凍結(jié)一般。但溫度接近絕對零度時，我們所熟知的宏觀物理規(guī)律并不再適用，另一種復(fù)雜的物理規(guī)律——量子力學(xué)將會占據(jù)主導(dǎo)。

宇宙中任何被觀測過的粒子，無法同時準(zhǔn)確知道它的動量和確切位置，這就是著名的海森堡測不準(zhǔn)原理。

假設(shè)物質(zhì)冷卻到所有粒子都停止熱運動的時候，就意味著每一個粒子的位置和動量都可以同時精確定出來，但在測不準(zhǔn)原理的約束下這是不可能的。

退一步講，即使真正到了絕對零度，并不意味著所有運動完全停止，因為粒子的量子漲落依舊存在，只是平均熱運動為零而已。但是顯然要做到這點幾乎不可能，畢竟物質(zhì)里面的微觀粒子數(shù)目實在太多太多了，只要足夠精確地測量（事實上做不到），平均值達(dá)到絕對的零簡直毫無希望。

因此，絕對零度就是一個理論值，我們不可能實現(xiàn)，但可以盡可能的接近它。

那么，宇宙中最冷的地方在哪里呢？是在宇宙深空嗎？

宇宙深空里確實很冷，但宇宙大爆炸137億年后遺留的微波背景輻射充滿著太空，太空的平均溫度只有2.73開爾文。

科學(xué)家通過一些手段能實現(xiàn)比宇宙深處更低的溫度。用He-3和He-4稀釋制冷可以達(dá)到0.01 K以下，用絕熱去磁技術(shù)可以達(dá)到0.001 K以下，而現(xiàn)代激光制冷技術(shù)可以把分子冷卻到 0.000001 K，或者把原子冷卻到 0.00000000045 K。，這已經(jīng)非常非常接近絕對零度了。

科學(xué)家為什么要研究那么低的溫度呢？其實，當(dāng)物體溫度非常低的時候，會發(fā)生許多神奇的事情。

絕大部分材料在常溫下都存在電阻，但是有不少材料卻在低溫下電阻會變?yōu)?。零電阻意味著電流能量損失為零，超導(dǎo)材料做成的電纜可以大大減少傳輸電能過程中的能量損耗。

更厲害的是，低溫下的超導(dǎo)材料還會出現(xiàn)完全抗磁性，幾乎抵御一切外界磁場，即使磁場足夠強(qiáng)的東西進(jìn)入了材料內(nèi)部，也能牢牢釘住磁通線。超導(dǎo)磁懸浮列車就是利用這個特性而發(fā)明的，它比常規(guī)磁懸浮列車更為高速且更加安全。

當(dāng)然，在超低溫下還會有許多意想不到的現(xiàn)象，比如超流體甚至超固體、電荷分?jǐn)?shù)化等，這些量子效應(yīng)的體現(xiàn)會非常明顯。試想，如果我們駕馭了低溫，可以隨心所欲地操控量子，未來一定會大不同！

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作者：科學(xué)邊角料 科普團(tuán)隊

審核：羅會仟 中科院物理所 研究員