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绝对零度,万籁俱寂| 格物汉子


炎炎夏日,我们来“格”一个清凉的题目:绝对零度。



绝对零度,是热力学的最低温度,但只是理论上的下限值,约等于-273.15摄氏度。

 

大家都知道,在一定低温下,一些物质会出现电阻接近于零的“超导现象”。然而,最让人惊叹的低温现象或许还不是超导,而是在液氦诞生的那天,发生在科学家昂内斯眼前的那一幕。透过密封隔离的玻璃容器内的小缝隙,他窥见几乎完全透明的液体在翻滚。本来,将液面上的液氦蒸汽从容器中吸出,可以将运行速度最快的液氦分子移出容器,从而进一步给液氦降温,但实际情况却是液氦反而沸腾得更加剧烈了。

  

但接下来,当温度降低到一定程度(我们现在知道是2.17K)时,翻滚的气泡突然停止了翻滚,液氦变得如死一般安静。数年之后,答案才揭晓。原来,部分液氦突然进入到了一个全新的状态:超流体,这是一种可以完全无阻碍地流动且能完美导热的状态。不管何时,只要部分液氦变得更热并开始形成气泡,超流体都会在气泡形成之前将热带走。

  

超流体是超低温下具有奇特性质的理想流体,即流体内部完全没有粘滞。超流体和超导体都是超低温现象,但超流体所需的温度比超导还低。超流体其中一个重要的应用是稀释致冷机。


更令人惊异的发现接踵而至。氦原子通常包含有两个中子、两个质子,因此,最常见的氦原子一般为氦-4,然而,还有一种比氦-4罕见数千倍的同位素氦-3,其只有一个中子。这些更轻的氦-3中子一旦被液化,两者的行为迥然不同,例如,氦-3的黏性不仅没有减弱,反而会变得更强。

  

谁能想到,仅仅一个中子之差就会让一种液体的物理属性发生如此巨大的变化?但它们并非罕见的现象,而是在我们的生活中随处可见,只不过我们的肉眼凡胎,没有意识到普通物质本身是多么令人惊奇而已。

  

这些貌似怪异的行为背后存在着一个普遍的真理,那就是,我们所身处的世界是一个由量子力学所支配的世界只有当低温让这些随机波动减少之后,这一点才水落石出。例如,我们看到,氦原子之间的相互作用如此微弱,导致量子机制让这些氦原子不用麻烦地四处“跳来跳去”就可以交换位置。这种量子交换使这两种氦能在能达到的最低温度下保持液态。实际上,计算表明,在标准大气压下,氦即使在绝对零度下也会保持液态。


哪里是宇宙最冷的地方?天文学家发现,布莫让星云的温度为零下272摄氏度,是目前所知宇宙中最寒冷的地方,被成为“宇宙冰盒子”。



“宇宙冰盒子” 布莫让星云

  

事实上,布莫让星云的温度仅比绝对零度高1度多。绝对零度是自然界中温度的临界状态,一旦达到绝对零度,原子也会停止运动。

  

导致布莫让星云温度极低的原因可以这样来解释:我们知道当一个密封罐子中的液体被迫喷出时,罐子中的温度就会急遽降低。

  

布莫让星云正在急速爆发,而且周围没有任何热源,所以内部的温度不断下降,最终达到接近绝对零度的状态。这个“热度”是作为宇宙起源的大爆炸留存至今的热度,事实上,这是证明大爆炸理论最显著有效的证据之一。


不过说到温度最低,我们还得再回到地球上。2015年6月,来自麻省理工学院的科学家激光冷却钾钠气体分子达到了500纳开尔文,相当于一摄氏度的5000亿分之一。科学家认为如果物质接近绝对零度,就会产生奇怪的状态,目前科学家只能将温度降低到这一水平。

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