傳說中的“絕對零度”，到底是多少度？

絕對零度，這是一個令無數(shù)人好奇的概念。我們都聽說過這個溫度，但對具體的數(shù)值和含義卻知之甚少。這個神秘的絕對零度究竟是多少度？在這種極端的低溫下，又會發(fā)生什么奇特的現(xiàn)象呢？今天，就讓我們揭開絕對零度的神秘面紗，一探究竟。

絕對零度

絕對零度是指物體的溫度為零開爾文，也即-273.15攝氏度，是溫度的最低限制，被認(rèn)為是熱力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)等學(xué)科中的重要基準(zhǔn)。這個概念最早由英國物理學(xué)家威廉·湯姆遜提出，并在19世紀(jì)末由荷蘭物理學(xué)家?？恕ぐ核孤灏l(fā)現(xiàn)。絕對零度的溫度是0K，它表示所有物質(zhì)分子的平均動能為零，這意味著物質(zhì)不再具有溫度或熱能。當(dāng)物質(zhì)的溫度接近絕對零度時，物質(zhì)的性質(zhì)會發(fā)生非常奇特而神秘的變化。如氦液在接近絕對零度時會變成一種稱為超流體的神秘物質(zhì)，它具有零粘度和無限的傳熱能力，而金屬在接近絕對零度時則會表現(xiàn)出超導(dǎo)性質(zhì)，電子可以在金屬中自由傳導(dǎo)。這使得近年來產(chǎn)生了大量無損制冷、高速電路和強磁場等新研究領(lǐng)域，被廣泛應(yīng)用于實驗物理學(xué)、量子計算和生物醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域。

雖然絕對零度是理論上的極限，但人類無法將物體冷卻到這種溫度，因為它違背了熱力學(xué)第三定律，即無法將任何物體在有限步驟內(nèi)冷卻到絕對零度。

絕對零度下的變化

在分子層面，絕對零度標(biāo)志著一切熱運動的終結(jié)。在這個極端的低溫下，分子的熱振動幾乎完全停止，原子和分子的振動和轉(zhuǎn)動幾近消失。這種情境下，物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)變得極其穩(wěn)定，使得凝聚態(tài)物質(zhì)的原子或分子更緊密地相互貼近，形成了一種特殊的物態(tài)。如超流體和超導(dǎo)體，在特定溫度下會失去原有的特性，如黏性和電阻。它們可以在沒有摩擦力或電阻的條件下流動。

這些現(xiàn)象只會在極低溫的條件下出現(xiàn)，它們與分子熱運動的減緩以及量子效應(yīng)息息相關(guān)。絕對零度下，某些玻色子可能會聚集在相同的能級上，這種現(xiàn)象被稱為玻色-愛因斯坦凝聚。這是一種獨特的量子現(xiàn)象，它為我們揭示了新的物質(zhì)態(tài)的可能性，同時也對量子物理學(xué)以及潛在的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的意義。

此外，盡管分子在絕對零度下的平均動能趨近于零，但它們?nèi)匀粫粤孔硬▌拥男问竭M(jìn)行微小的振動。這種微小的振動對物質(zhì)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響，也是量子力學(xué)的基本現(xiàn)象之一。

最后，一些絕緣體在溫度足夠低的情況下可能會變成導(dǎo)體，這種現(xiàn)象被稱為絕緣體到導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。在絕對零度下，原子的振動幾乎消失，這使得電子可以在晶格中自由移動，從而產(chǎn)生了導(dǎo)電性。

總的來說，絕對零度不僅是自然科學(xué)中的一個重要概念，更是探索量子世界的一扇門戶。在這個極端的溫度下，物質(zhì)呈現(xiàn)出許多獨特和令人驚奇的性質(zhì)。這些性質(zhì)不僅加深了我們對自然界的理解，也為科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新提供了無盡的可能性。

絕對零度無法達(dá)到

在太陽系的邊緣，冰冷的冥王星孤獨地繞著太陽旋轉(zhuǎn)，其表面溫度有時會低至零下248度。然而，當(dāng)我們仰望宇宙的深邃空間時，我們會發(fā)現(xiàn)那里的溫度比冥王星還要低。太空的背景溫度已經(jīng)低到了零下270.3度，這個溫度被科學(xué)家們稱為3K。在宇宙誕生的時候，溫度極高，隨后便經(jīng)歷了一場迅速的膨脹過程，就像一顆炸彈爆炸一樣，核心的溫度隨著能量的擴(kuò)散而逐漸降低。隨著時間的推移，宇宙空間中的余溫冷卻到了我們今天所稱的宇宙微波背景輻射，這是能量以電磁波的形式向外輻射的結(jié)果。

在距離地球5000光年的地方，有一個被稱為“布莫讓星云”的天體。這是一個自然形成的宇宙“極地”，其最低溫度達(dá)到了零下272度，比宇宙的背景溫度還要低兩度。然而，這并不是正常的現(xiàn)象。科學(xué)家們分析，太空接近于真空，因此熱傳遞的速度很慢。布莫讓星云是演化到末期的恒星以164公里每秒的速度向外拋灑的氣體分子所形成的星云。當(dāng)這些星云在內(nèi)部的壓強作用下膨脹時，就像爆炸一樣：氣體絕熱膨脹，體積增大，溫度就會下降，因此它的溫度低于背景溫度。盡管人類在實驗室中創(chuàng)造了0.5×10^（-7）K的最高紀(jì)錄，但這個溫度卻無法達(dá)到絕對零度。

絕對零度意味著絕對靜止，而根據(jù)量子力學(xué)中的測不準(zhǔn)原則，我們無法同時測得粒子的位置與動量。如果一個粒子絕對靜止，那么它的速度和動量就都是零，這顯然是不可能存在的。因此，絕對零度可以無限接近，但永遠(yuǎn)無法達(dá)到。因為組成物質(zhì)的基本粒子要維持它們的量子特性。

宇宙中存在最高溫度

宇宙的最高溫度是一個難以想象的數(shù)字，它是由宇宙大爆炸的瞬間產(chǎn)生的。在這個溫度下，所有的物質(zhì)和能量都聚集在一個極小的空間內(nèi)，形成了宇宙的初始狀態(tài)。在大爆炸后的瞬間，宇宙的溫度迅速上升，達(dá)到了我們無法想象的數(shù)值。

根據(jù)科學(xué)家的計算，在宇宙誕生后的數(shù)秒鐘內(nèi)，它的溫度就達(dá)到了萬億度。這個溫度是如此之高，以至于所有的物質(zhì)都被分解成了最基本的粒子，包括質(zhì)子、中子和電子。隨著宇宙的膨脹和冷卻，這些基本粒子開始聚集在一起，形成了原子和分子。在這個過程中，宇宙的溫度逐漸下降，最終達(dá)到了我們今天所知道的常溫。雖然我們無法直接測量宇宙的最高溫度，但科學(xué)家們通過觀察宇宙微波背景輻射來推斷出這個值。

宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸后留下的余溫，它遍布整個宇宙，為科學(xué)家們提供了一個窺視宇宙早期狀態(tài)的重要工具。通過分析宇宙微波背景輻射的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們得出了宇宙的最高溫度約為3000億度。這個溫度與宇宙大爆炸時的瞬間溫度相比已經(jīng)下降了許多，但它仍然是一個非常高的數(shù)值。

總之，宇宙的最高溫度是由宇宙大爆炸的瞬間產(chǎn)生的，它是一個難以想象的數(shù)字。盡管我們無法直接測量這個值，但我們可以通過觀察宇宙微波背景輻射來推斷它的大致范圍。這個溫度的存在和演變?yōu)槲覀兝斫庥钪娴钠鹪春脱莼峁┝酥匾木€索。

在絕對零度中，光是會被凍成一根棍子還是一道波浪？

首先，咱們得明確一個點，那就是目前來說絕對零度是無法達(dá)到的，所以這個實驗只能是設(shè)想。從現(xiàn)實的角度來看，絕對零度的原子應(yīng)該是處于“絕對靜止”狀態(tài)的。如果有光介入，那么光中的原子就會打破這個靜止?fàn)顟B(tài)。簡單來說，光帶來了運動的原子，這些運動的原子會打破靜止?fàn)顟B(tài)，使其升溫，這時就不再是絕對零度了。

當(dāng)我們基于理論猜想的時候，可以想象一下被譽為“宇宙中跑得最快”的光，當(dāng)被“定身”時會展現(xiàn)出怎樣的形態(tài)。如果讓大家來猜想，你是更支持光變成“棍子”形態(tài)還是變成“波浪”形態(tài)呢？如果是棍子形態(tài)的話，這種認(rèn)知主要是基于幾何光學(xué)。在中學(xué)物理課的時候，老師最常說的一句話就是“光是以直線傳播的”。因此，許多人就覺得這樣射出來的光，如果被絕對零度凍住，那也一定會成為一根筆直的“棍子”。

而如果是波浪形態(tài)呢？這就是從光的“波動說”出發(fā)了。最早提出光是粒子的牛頓用相關(guān)的實驗證明了自己的看法?？墒呛髞砘莞乖诤团ｎD探討了之后，認(rèn)為光應(yīng)該是“波動”的。在光的“波動說”當(dāng)中，認(rèn)為光從本質(zhì)上來說是一種“機(jī)械波”，所以大家覺得光會變成一道波浪大抵就是認(rèn)為這種說法更可信。值得一提的是，如果按照光波動的傳播理論來說，被凍住的可能不止是“一道波浪”而是“幾道波浪”。

此外，對于光到底是什么，愛因斯坦對粒子和波這兩種頗有爭議的觀點進(jìn)行了融合，提出光具有波粒二象性。確實，其實在長達(dá)百年的爭論之中，這兩個觀點都不能完全證明對方是錯的，不如就“取其精華去其糟粕”然后再巧妙融合，就能得出一個正確的理論。

綜上所述，大眾對于光的不同認(rèn)知是導(dǎo)致其“形態(tài)”發(fā)生變化的主要原因。當(dāng)然，這一切都是在理論當(dāng)中實現(xiàn)的，如果真想在現(xiàn)實中做這項實驗是沒有辦法的。首先絕對零度無法達(dá)到，其次即使有辦法達(dá)到這個溫度，光的形態(tài)也會受到其他因素的影響而無法保持穩(wěn)定。因此，這個實驗只能是設(shè)想。這就好比一場沒有裁判的比賽，即使你勝利了，也可能因為某種原因被判定無效。

但是，這并不能阻止我們嘗試去探索并發(fā)現(xiàn)更多有趣的東西?？梢韵胂笠幌?，除了常見的棍子和波浪形狀之外，還有許多其他有趣的形狀在等待著我們的發(fā)現(xiàn)。實際上，當(dāng)科學(xué)家們深入探索絕對零度的奇妙世界時，他們發(fā)現(xiàn)了很多令人驚奇的景象。例如，在超低溫環(huán)境下，那些你看不見的氣體竟然會變成一種“神奇的流體”。這些奇妙的發(fā)現(xiàn)讓我們更加相信，這個世界上還有許多未知等待著我們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)。

超低溫世界下的奇觀

氣體是生活中普遍存在，卻常常被忽視的東西。就像空氣，我們每天都在呼吸它，卻無法形容它的“模樣”，只知道它時刻圍繞在我們身邊。然而，當(dāng)科學(xué)家在實驗中不斷降低溫度時，這些看不見的氣體開始顯現(xiàn)出形態(tài)，就像“照妖鏡”一樣。以空氣為例，當(dāng)溫度降至零下190多攝氏度時，空氣會變成淺藍(lán)色的液體。更令人驚奇的是，如果你折下一支鮮花放入液態(tài)空氣中，它就會變成一支“玻璃花”，質(zhì)地變得堅硬而脆。

當(dāng)然，如果溫度繼續(xù)下降，氣體的形態(tài)會再次發(fā)生變化。以氧氣為例，在接近絕對零度的溫度下，氧氣會變成像“顆粒”一樣，并且顏色也變成了白色。這些氣體的變化已經(jīng)讓人感到驚奇。

接下來，我們再來說說在超低溫環(huán)境下，金屬的變化。溫度計里的水銀在低溫環(huán)境下會變得堅硬無比，無法流動。這意味著我們通常使用的“水銀溫度計”無法測量超低溫的溫度。而通常在現(xiàn)實生活中非常堅固的鋼，在低溫環(huán)境下卻變得脆弱。人們在現(xiàn)實生活中很難摔碎家里的不銹鋼器具，即使外形有所改變也不會碎裂。但在超低溫環(huán)境下，不銹鋼制品變得和陶瓷碗一樣脆弱，輕輕一碰就會“稀碎”。

我們對絕對零度的探索過程中發(fā)現(xiàn)了許多神奇的事情。盡管絕對零度仍然是一個理論上的極限，但通過對它的探索和研究，我們能夠更深入地了解世界的本質(zhì)和規(guī)律。隨著科技的進(jìn)步，我們對于零下273.15℃這個數(shù)值的探索也越來越深入。（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）

作者 | 幾維鳥

畢業(yè)于新西蘭林肯大學(xué)金融專業(yè)。對大眾科普知識擁有濃厚興趣，曾在多個科普期刊上發(fā)表過科普文章。關(guān)注事實，積極探索前沿科技。