零下273.15度的“绝对零度”是什么概念
温度是什么?
听到这个问题,你可能会觉得,温度不就是一个东西有多冷多热吗?这么说当然没错。而且早在16世纪初,伽利略就已经发明了简单的测温仪,来测量温度。
但如果继续追问一步,我们测出来的温度到底反映了什么呢?
是不是不那么好回答了?其实,温度是组成物质的分子、原子或更小粒子们热运动的宏观表现。可以说,测出来的温度越高,粒子热运动越剧烈。
那接下来问题就来了,温度有没有上限和下限呢?
科学家从理论上推测,温度会有一个上限,叫做普朗克温度。不过,这个温度非常非常高,有1.4亿亿亿亿摄氏度。这个温度仅仅在宇宙诞生之初那一瞬间存在,在如今人类生活的宇宙中已经不可能抵达这个上限,所以在日常生活中,温度的上限已远超人类的想象。
那温度有没有下限呢?可以肯定地说,温度是有下限的。这是由温度的定义决定的。当一个物体内所有的粒子热运动都停止的时候,物体就达到了温度的下限。这个下限,叫绝对零度,绝对零度的温度等于0开尔文 (K),也就是-273.15摄氏度 (℃)。
这是什么概念呢?
根据吉尼斯世界纪录,地球上最冷的地方——位于南极洲,最低气温是零下89.12摄氏度。常用来制冷的液氮仅仅只有-196℃ ,也就是77 开尔文,就连最好的制冷剂液氦也一般就达到-269℃ ,这是4.2开尔文。
这个温度离绝对零度已经看起来只有毫厘之差。那么如果再努努力,能否达到绝对零度呢?
前面说过,当温度到达绝对零度时,分子、原子的热运动就会停止,如同彻底被冻结一般。但温度接近绝对零度时,我们所熟知的宏观物理规律并不再适用,另一种复杂的物理规律——量子力学将会占据主导。
宇宙中任何被观测过的粒子,无法同时准确知道它的动量和确切位置,这就是著名的海森堡测不准原理。
假设物质冷却到所有粒子都停止热运动的时候,就意味着每一个粒子的位置和动量都可以同时精确定出来,但在测不准原理的约束下这是不可能的。
退一步讲,即使真正到了绝对零度,并不意味着所有运动完全停止,因为粒子的量子涨落依旧存在,只是平均热运动为零而已。但是显然要做到这点几乎不可能,毕竟物质里面的微观粒子数目实在太多太多了,只要足够精确地测量(事实上做不到),平均值达到绝对的零简直毫无希望。
因此,绝对零度就是一个理论值,我们不可能实现,但可以尽可能的接近它。
那么,宇宙中最冷的地方在哪里呢?是在宇宙深空吗?
宇宙深空里确实很冷,但宇宙大爆炸137亿年后遗留的微波背景辐射充满着太空,太空的平均温度只有2.73开尔文。
科学家通过一些手段能实现比宇宙深处更低的温度。用He-3和He-4稀释制冷可以达到0.01 K以下,用绝热去磁技术可以达到0.001 K以下,而现代激光制冷技术可以把分子冷却到 0.000001 K,或者把原子冷却到 0.00000000045 K。,这已经非常非常接近绝对零度了。
科学家为什么要研究那么低的温度呢?其实,当物体温度非常低的时候,会发生许多神奇的事情。
绝大部分材料在常温下都存在电阻,但是有不少材料却在低温下电阻会变为0。零电阻意味着电流能量损失为零,超导材料做成的电缆可以大大减少传输电能过程中的能量损耗。
更厉害的是,低温下的超导材料还会出现完全抗磁性,几乎抵御一切外界磁场,即使磁场足够强的东西进入了材料内部,也能牢牢钉住磁通线。超导磁悬浮列车就是利用这个特性而发明的,它比常规磁悬浮列车更为高速且更加安全。
当然,在超低温下还会有许多意想不到的现象,比如超流体甚至超固体、电荷分数化等,这些量子效应的体现会非常明显。试想,如果我们驾驭了低温,可以随心所欲地操控量子,未来一定会大不同!
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