0K，不OK_風聞

原創：中科院物理所

　　我們的宇宙中充斥着各種不能打破的基本界限。比如像其中最有名的一條：有質量的物質的速度不能超過光速，差不多是 3×108米/秒 。當然還不止這些，普朗克長度是最小可能的長度，數值是 1.616 x10-35米 ，普朗克時間是最小可能的時間：10-44秒 ；而可以存在的最冷的温度是絕對零“度”（開爾文，温度的單位），也就是 -273.15℃（攝氏度）、或是 -459.67℉（華氏度）。-273℃ 比起前面那些數字來説看起來不算很小，難道偌大的宇宙中就不存在某個小角落的地方低於這個温度了嗎？

　　在可知宇宙中，最低的温度就存在於這個地球上的某個實驗室中；而且就像其他基本界限一樣，達到0K的温度，在理論上——而不是技術上，不可能發生。目前，我們可以不斷降低所能達到的最低温度、到十億分之一開爾文甚至更小，但卻永遠不能達到0K。

　　解釋原因前，我們先説説什麼是温度。

　　冷或熱

　　當我們通過觸摸感覺到冷或者熱的時候，微觀層面發生了什麼呢？

　　所有的分子、原子、質子或者電子都有一個本徵振動，這個本徵振動也叫作動能，可以輻射熱。粒子運動得越快，物質也就越温暖。當你滴一滴墨水在一壺水中，墨水均勻地擴散開來，你便會發現這壺水也承載着如此多分子的運動。振動得快的粒子相比振動較慢的粒子來説，在你的皮膚上會撞擊得更厲害。理論上，絕對零度是一個所有運動、也就是所有熱，全部都不存在的狀態。

　　但是量子力學否定了這種情況存在的可能。

　　除了温度外，粒子的動能還決定了物質的性質。相比於液體來説，固體中的粒子振動更輕微，但它們仍然是振動的狀態——即使是在冰涼的鐵塊中，單個的鐵原子也是在它的固定結構內振動的。

　　加熱冰塊時，水中的分子會獲得能量，並從晶體結構中脱離出來（成為液體）；繼續加熱液體水時，水分子可以獲得更多的動能逃逸出來成為蒸汽（氣體）；當電子脱離原子，物質便會離化成等離子體，這種狀態可以在宇宙星體中發現。

　　此外，物質還有第五種狀態——玻色-愛因斯坦凝聚態，由一團降温到非常接近零度而幾乎不運動的原子組成；這時，這些原子達到了相同的能量狀態從而表現得像一個原子。當所有原子到同一個量子態時，相互之間不可分辨，它們便會遵循玻色-愛因斯坦統計規律，適用於包括光子在內的不可分辨的粒子。在這種狀態下，我們會觀測到超流、超導、無電阻這類令人驚奇的現象。

　　關於玻色-愛因斯坦凝聚態有兩個特點：

　　1.這是一個目前只存在於實驗室中物質的狀態。

　　2.獲得這種狀態的物質花費了科學家數十年的時間，同時也讓三位物理學家獲得了2001年的諾貝爾獎。反直覺的是，物理學家是通過多個方向的激光來捕獲一團原子、使其冷卻下來的。

　　超導

　　將原子冷卻至一個臨界值以下時會發生一個現象——超導。比如當温度低於 -196℃ 時，某些金屬的電阻會降低為零：電子會在介質中流動形成在一個循環中沒有衰減的電流。

　　通常情況下，電子形成電流後往往受到阻礙。導電介質的內部原子排列成晶格，會進行無規則的熱運動；晶格中的原子釋放電子給電流後帶正電，吸引電子從旁邊翻滾而過。就像平面上摩擦力對滑塊的作用一樣，這樣的阻礙（表現為電阻）會損失電流的能量，當温度降低時，導體的電阻會明顯降低。

　　但是當超導發生時，現象會完全不同：當某材料達到一定的冷度時，它的電阻會立即完全消失。電流中的電子為了立刻衝到終點，它們會結合成對——當一個電子從晶格中流過時，會引起周圍帶正電的原子向其彎曲，反過來將吸引鄰近的電子與之結合，兩個電子緊鎖在一起後，便在晶格中肆意穿梭，不會損失能量。這樣的電子對只能在超導臨界温度以下的時候形成，一旦超過這個温度，熱量就足以將它們分開。

　　普通的超導體只能工作在極低的温度下，需要非常昂貴的液氦來實現。超導一般會在非常複雜和昂貴的設備上應用，比如像醫用核磁共振成像（MRI）中。但什麼時候、是否能走進我們的日常生活卻很難説。埃隆·馬斯克的超級運輸裝置 hyperloop 中就將會應用到兩塊超導磁鐵。

　　1980年代，科學家發現某些特殊的陶瓷會在很高的温度就可以轉變成超導狀態，只需要再前進小小的一步，這個技術就可以變得非常有用。新的超導體的工作温度可以高達 -135℃ ，雖然還是很低，但是可以利用更便宜、易獲得的液氮實現。當然，室温下超導仍是科學家追求的終極目標。

　　但即使是在超導或是玻色-愛因斯坦凝聚態下，原子依然在緩慢運動。理論上，如果我們繼續給物質降温，會存在一個原子不再振動的點，這個點的温度值不同於熔點或是沸點，它對於所有的材料是一致的，那就是 0K 。也就是説，對於宇宙中所有的元素，化合物、或是分子，給它們建立一個温度-振動相關的表格，對應於 100%、75%、50%、25% 等等只要是 0 以上的振動，不同材料的温度都是不同的；但是 0 振動對於所有物質都是一樣的，它們有共同的定義—— 0開爾文，我們不可能達到的狀態。

　　實際上，這種極限狀態（玻色愛因斯坦凝聚態）的振動還會輻射出紅外波。紅外波來源於熱輻射，所以所有温度不為零的物體都會輻射出紅外波，包括我們覺得已經很冷的冰塊，也會產生紅外輻射；温度沒有高到產生可見光程度的物體，都在進行着紅外輻射。物體温度越高，輻射的紅外波越多——這就是夜視儀的原理，因為紅外輻射是我們的“本徵光”——除非它的温度是 0K。

　　紅外熱成像：不同的顏色對應不同温度

　　宇宙中的所有物質都在輻射着能量，或多、或少，但一定會存在，這源於所有基本粒子的振動。高温即高振動頻率，低温即低振動頻率，阻止這樣的振動是不可能的。

　　在我們瞭解為什麼不能使粒子停止振動前，我們需要區分温度和熱能之間的一個重要的區別。

　　你有沒有疑惑過，為什麼把手放入200℃的爐子裏的傷害相比於放入100℃沸水中的温度要小？這是因為即使爐子裏的温度很高，但熱能卻比沸水的要低。物體的熱能除了與温度有關外，還與包含的粒子數量和密度有關，爐子中單個粒子相比於沸水中具有更高的能量，但每秒撞擊你皮膚的水分子數量卻遠大於爐子中的粒子，也就攜帶了更高的能量。温度表現的是分子的平均動能，而熱能反應了物質所有粒子動能的總和，所以一座冰山比一杯咖啡具有的熱能更高。

　　爐子中的空氣雖然比鍋中的沸水温度更高，但是水的能量密度更大，攜帶的熱量更多

　　達到絕對零度

　　我們現在知道了，熱不過是一些原子和分子本徵振動的結果，這意味着其實“冷”不算是一個物質的性質，只是反映了物質的熱比較少而已。

　　我們可以通過對一個封閉的系統（體積和壓強不變）增加能量來使其温度升高，只要我們有充足的能量就可以一直如此。理論上温度不存在上限。反過來，當我們需要給一個系統降温時，我們就需要從中“拿走”能量，直到某點系統沒有剩餘能量。這一點就是絕對零度點。

　　熱力學第三定律

　　如何取走物體的熱量呢？最簡單的方式是在旁邊放一個更冷的物體。熱力學第三定律説明，熱量總是從温度更高的物體流向温度更低的物體。舉個例子，廚房的枱面上放置着相對更熱的平底鍋，那麼平底鍋就會加熱枱面，而不是枱面加熱平底鍋。熱量從不會流向更熱的物體——除非我們使用能量來完成這一過程。這就是冰箱的功能。冰箱內的空氣要比食物更冷來從中獲得能量，當運動得較快的食物粒子撞擊空氣中較慢的粒子時，它們之間交換了一些動量和能量，食物粒子的運動會減慢變涼而空氣粒子會運動更快而變熱，空氣的熱會在冰箱背面釋放，這也是為什麼冰箱背面通常是燙的，這些熱量部分來源於你的食物。

　　但當我們想用這個方式把物體的温度降至最低時，問題就出現了，**如果沒有更冷的東西了怎麼辦呢？**宇宙中不存在沒有運動和熱能的地方，因為它總會從別處吸收熱量。如果某純淨物質的每一個原子都完全保持在它所在的晶體結構上，那麼它可以達到理論上的絕對零度，此時其熵為零。

　　熵的定義之一，是將其描述為物質中互相擁擠的原子和分子可能排布的數量，或是説混亂程度（randomness）。由於物質這樣隨機和不可預測的內在性質，能量的轉化並不是完全有效的，熵決定了一部分能量不能“有用”。不過在絕對冷時，分子會停止隨機振動，能量的流向會消失，也就不會有相應激發的分子。熱力學第三定律的關鍵在於，當一個完美、純淨的晶體的温度降低為零時，其熵也就隨之為零。一個幾近穩定、惰性的物質的混亂度也會消退。

　　但量子力學不允許混亂度或是熵為零——但可以極其接近零，比如超導狀態下的原子的熵。

　　除了熱量傳遞這種方式，温度也可以通過壓強和温度控制：提高壓強和降低體積都可以使温度升高。我們先假設已經有降温至 1K 的氦氣了。除了尋找温度更低的介質來抽走能量，我們還可以通過使其膨脹來降温。這個過程正發生在可知宇宙中最冷的地方——旋鏢星雲（Boomerang Nebula），這個星雲的温度是 1K 。星雲中的氣體通過極快的速度解釋了為何其變得如此之冷。

　　距離地球五千光年外的旋鏢星雲

　　最近，MIT和CERN實驗室正在嘗試利用我們前面提到過的激光來將納米尺度的物體降温到最低，此時物質是以玻色愛因斯坦凝聚狀態存在的。這可能是整個地球甚至是可知宇宙中最低的温度——零上十億分之一開爾文。根據量子力學理論，將其降為 0K 需要無窮多的能量來完成。

　　絕對零度或是-273.15℃是所有粒子的所有本徵振動停止的温度。

　　海森堡不確定性原理説明：一個物體的位置和動量不能同時被精確確定，即使理論上也不可以。但當一個粒子停止運動時，我們便會知道其準確的位置和狀態，這是不被量子力學原理所允許的，同時反過來，這也證明了絕對零度不可能被實現。

　　作者：The Basic of Everything

　　翻譯：zhenni

　　審校：Dannis

　　原文鏈接：

　　https://rashmi-singh1789.medium.com/the-one-about-absolute-zero-30f1c1f78318