深度科普：絕對(duì)零度只有零下273.15度，為何人類永遠(yuǎn)無(wú)法突破？

溫度，這個(gè)我們?nèi)粘Ｉ钪性偈煜げ贿^(guò)的物理量，與我們的生活息息相關(guān)。

清晨出門(mén)，一絲涼意襲來(lái)，我們會(huì)下意識(shí)地添衣保暖；午后，熾熱的陽(yáng)光讓人不禁尋找陰涼之處躲避暑氣 。但溫度究竟是什么呢？?jī)H僅是我們感知到的冷熱嗎？其實(shí)，這背后隱藏著更深層次的科學(xué)奧秘。

從宏觀層面來(lái)看，溫度被定義為衡量物體冷熱程度的物理量。但這樣的定義稍顯抽象，未能深入揭示溫度的本質(zhì)，僅僅停留在對(duì)物體表面冷熱感受的描述上。

當(dāng)我們深入到微觀世界，溫度的奧秘逐漸清晰起來(lái)。

微觀層面上，溫度實(shí)際上是微觀粒子（分子）運(yùn)動(dòng)劇烈程度的外在體現(xiàn)。微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直接決定了物體的溫度。粒子運(yùn)動(dòng)得越劇烈，物體所表現(xiàn)出的溫度就越高；反之，粒子運(yùn)動(dòng)相對(duì)緩慢，溫度也就較低。就像一杯熱水，其內(nèi)部水分子運(yùn)動(dòng)活躍，不斷地相互碰撞、穿梭，使得這杯水呈現(xiàn)出較高的溫度；而一杯冷水，水分子的運(yùn)動(dòng)則相對(duì) “安靜”，溫度也就較低。

在溫度的世界里，有一個(gè)極其特殊的存在 —— 絕對(duì)零度。

絕對(duì)零度被定義為熱力學(xué)溫標(biāo)（開(kāi)爾文溫標(biāo)）的零點(diǎn)，其數(shù)值為 0K，換算成我們更為熟悉的攝氏溫標(biāo)，則是 - 273.15℃。這一溫度代表著自然界中任意一個(gè)系統(tǒng)在平衡條件下所能趨近的最冷狀態(tài) ，是熱力學(xué)理論中溫度的下限值。

絕對(duì)零度數(shù)值的確定，并非一蹴而就，而是經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的科學(xué)探索與理論推導(dǎo)。對(duì)絕對(duì)零度的探索，是一部充滿挑戰(zhàn)與突破的科學(xué)史詩(shī)。

幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，無(wú)數(shù)科學(xué)家投身其中，他們的研究從理論的大膽設(shè)想，到實(shí)驗(yàn)中的反復(fù)嘗試，每一步都推動(dòng)著我們對(duì)絕對(duì)零度的認(rèn)知邊界不斷拓展。

隨著理論的逐漸完善，科學(xué)家們開(kāi)始在實(shí)驗(yàn)中向絕對(duì)零度發(fā)起挑戰(zhàn)。

1845 年，英國(guó)科學(xué)家邁克爾?法拉第通過(guò)初級(jí)的壓縮和冰浴實(shí)驗(yàn)，嘗試將各種氣體進(jìn)行液化，實(shí)現(xiàn)了多種氣體的液態(tài)形式，獲得了現(xiàn)實(shí)存在的最低負(fù) 130 度的低溫 ，為絕對(duì)零度的研究打開(kāi)了新的大門(mén)。

進(jìn)入 20 世紀(jì)，隨著科技的飛速發(fā)展，科學(xué)家們?cè)诒平^對(duì)零度的道路上取得了更為顯著的成果。2003 年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員利用激光冷卻技術(shù)，將鈉原子的速度減緩，成功將其溫度降低到了僅比絕對(duì)零度高十億分之一度的水平，創(chuàng)下了當(dāng)時(shí)的低溫世界紀(jì)錄 。

激光冷卻技術(shù)的原理是利用六束激光從不同方向照射原子，使原子在與光子的相互作用中不斷損失能量，從而達(dá)到冷卻的目的。這就好比用無(wú)數(shù)個(gè)微小的 “乒乓球” 從四面八方去撞擊熱運(yùn)動(dòng)中的原子，使其逐漸 “冷靜” 下來(lái) 。在國(guó)際空間站上，“冷原子實(shí)驗(yàn)室” 的實(shí)驗(yàn)更是將溫度降至比空曠空間低 3000 萬(wàn)倍的驚人水平 。

在微重力環(huán)境下，研究人員能夠更有效地控制原子的運(yùn)動(dòng)，減少外界干擾，從而實(shí)現(xiàn)更低的溫度。他們將原子樣本冷卻到絕對(duì)零度以上的百萬(wàn)分之一度，并將其塑造成極薄的空心球體，為研究物質(zhì)在極端低溫下的量子特性提供了獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)條件 。

2020 年，德國(guó)不萊梅大學(xué)的專家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造了 “宇宙中最冷的地方” 之一，通過(guò)操縱原子云使其處于 “虛擬靜止” 狀態(tài)，在幾秒鐘內(nèi)將溫度降至 38 皮開(kāi)爾文，即絕對(duì)零度以上 38 萬(wàn)億分之一度 。這個(gè)溫度太低了，目前還沒(méi)有溫度計(jì)可以直接檢測(cè)，科學(xué)家們只能通過(guò)觀察原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和物質(zhì)的波狀行為來(lái)間接測(cè)量溫度 。

在微觀世界中，量子力學(xué)的不確定性原理猶如一道堅(jiān)固的屏障，阻擋著絕對(duì)零度的實(shí)現(xiàn)。該原理由德國(guó)物理學(xué)家沃納?海森堡于 1927 年提出 ，它指出微觀粒子的位置和動(dòng)量（或速度）不能同時(shí)被精確測(cè)定，它們的不確定性的乘積必須不小于一個(gè)常數(shù)，即 Δx?Δp≥h/4π（其中 Δx 是位置的不確定性，Δp 是動(dòng)量的不確定性，h 是普朗克常數(shù)） 。這意味著，當(dāng)我們?cè)噲D精確確定粒子的位置時(shí)，其速度的不確定性就會(huì)增大；反之，若想精確知道粒子的速度，其位置就變得更加不確定。

從不確定性原理的角度來(lái)看，微觀粒子永遠(yuǎn)無(wú)法完全靜止。

因?yàn)槿绻Ｗ屿o止，其速度為零，那么位置就可以被精確確定，這將違背不確定性原理。即使在極低的溫度下，微觀粒子也會(huì)由于量子漲落而具有一定的能量和運(yùn)動(dòng)，始終存在著微小的振動(dòng)和不確定性 。

這種量子漲落是量子力學(xué)中的一種基本現(xiàn)象，它使得微觀粒子的能量和狀態(tài)在瞬間會(huì)發(fā)生隨機(jī)的變化 。就像在一個(gè)看似平靜的湖面下，實(shí)際上存在著無(wú)數(shù)微小的漣漪，這些漣漪就是量子漲落的體現(xiàn) 。在接近絕對(duì)零度的環(huán)境中，雖然粒子的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)變得極其緩慢，但它們依然會(huì)因?yàn)榱孔訚q落而保持著微弱的運(yùn)動(dòng)，無(wú)法真正達(dá)到絕對(duì)靜止的狀態(tài)，從而使得絕對(duì)零度無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

熱力學(xué)第三定律從宏觀角度為絕對(duì)零度的不可達(dá)性提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。該定律最早由德國(guó)物理化學(xué)家瓦爾特?能斯特于 1906 年提出，經(jīng)過(guò)后續(xù)科學(xué)家的完善，其常見(jiàn)表述為：不可能用有限的步驟使系統(tǒng)的溫度達(dá)到絕對(duì)零度 。

我們可以從制冷的原理來(lái)理解這一定律對(duì)絕對(duì)零度的限制。在日常生活中，冰箱的制冷原理是利用制冷劑在循環(huán)過(guò)程中吸收熱量，從而降低冰箱內(nèi)部的溫度 。制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，吸收周?chē)臒崃浚缓笤诶淠髦斜粔嚎s并釋放熱量 。

這一過(guò)程中，熱量從低溫物體（冰箱內(nèi)部）傳遞到高溫物體（冰箱外部），需要消耗電能等外部能量 。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，制冷的過(guò)程就是通過(guò)某種手段將熱量從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，而這個(gè)過(guò)程依賴于存在溫度差。

當(dāng)我們?cè)噲D將一個(gè)系統(tǒng)的溫度降低到絕對(duì)零度時(shí)，問(wèn)題就出現(xiàn)了。因?yàn)榻^對(duì)零度是最低的溫度，沒(méi)有比它更低的溫度存在。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量總是自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，而不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體 。

這意味著，要使一個(gè)系統(tǒng)的溫度降低到絕對(duì)零度，就需要找到一個(gè)比絕對(duì)零度更低的溫度源來(lái)吸收系統(tǒng)的熱量，但這是不可能的 。即使我們使用最先進(jìn)的制冷技術(shù)，每一次降低溫度的操作都只能使系統(tǒng)的溫度更接近絕對(duì)零度，但永遠(yuǎn)無(wú)法真正達(dá)到 。因?yàn)殡S著溫度的不斷降低，降低溫度的難度會(huì)越來(lái)越大，所需的能量也會(huì)越來(lái)越多，在有限的資源和步驟下，絕對(duì)零度始終遙不可及 。

在浩瀚無(wú)垠的宇宙中，絕對(duì)零度雖然遙不可及，但卻存在著一些溫度極低、令人驚嘆的天體和區(qū)域，它們仿佛是宇宙中的 “冰窖”，展現(xiàn)出極端低溫下的奇妙景象。

宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸的余暉，均勻地分布于整個(gè)宇宙空間 ，其溫度約為 2.725K（-270.425℃） ，這一溫度成為了宇宙的 “背景溫度”，也是宇宙中普遍存在的低溫環(huán)境。它就像宇宙的一層 “冷幕”，覆蓋著整個(gè)宇宙，見(jiàn)證著宇宙的演化歷程 。

宇宙微波背景輻射的存在，為宇宙大爆炸理論提供了有力的證據(jù) 。科學(xué)家們通過(guò)對(duì)宇宙微波背景輻射的精確測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其在不同方向上的溫度差異極其微小，這表明宇宙在早期是高度均勻的 。這種均勻性也為后續(xù)恒星、星系等天體結(jié)構(gòu)的形成奠定了基礎(chǔ) 。

當(dāng)溫度逐漸逼近絕對(duì)零度，物質(zhì)仿佛進(jìn)入了一個(gè)全新的量子世界，展現(xiàn)出一系列令人驚嘆的奇特性質(zhì)，這些性質(zhì)不僅挑戰(zhàn)了我們對(duì)常規(guī)物質(zhì)的認(rèn)知，也為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了嶄新的道路。

超導(dǎo)現(xiàn)象是超低溫世界中最具代表性的奇特性質(zhì)之一。

1911 年，荷蘭物理學(xué)家海克?卡末林?昂內(nèi)斯在研究低溫下汞的電阻時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度降至 4.2K（-268.9℃）時(shí)，汞的電阻突然消失，電流可以在其中無(wú)損耗地流動(dòng) 。這種零電阻特性使得超導(dǎo)材料在電力傳輸、磁懸浮列車(chē)、核磁共振成像等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力 。

在電力傳輸方面，使用超導(dǎo)電纜可以大大降低輸電過(guò)程中的能量損耗，提高能源利用效率 。據(jù)估算，如果全球的輸電線路都采用超導(dǎo)電纜，每年可節(jié)省大量的能源 。磁懸浮列車(chē)?yán)贸瑢?dǎo)材料的完全抗磁性，實(shí)現(xiàn)了列車(chē)與軌道之間的無(wú)接觸運(yùn)行，大大提高了列車(chē)的運(yùn)行速度和穩(wěn)定性 。日本的超導(dǎo)磁懸浮列車(chē) L0 系，最高試驗(yàn)速度已經(jīng)超過(guò)了 600 公里 / 小時(shí) 。

超流現(xiàn)象同樣神奇。當(dāng)液態(tài)氦被冷卻到 2.17K 以下時(shí)，會(huì)進(jìn)入超流態(tài) 。

在超流態(tài)下，液態(tài)氦的內(nèi)摩擦系數(shù)變?yōu)榱悖軌蚝翢o(wú)阻礙地流過(guò)極細(xì)的毛細(xì)管，甚至可以沿著容器壁向上爬升，仿佛違背了重力的作用 。這種奇特的流動(dòng)特性在低溫物理實(shí)驗(yàn)和精密儀器制造中有著重要的應(yīng)用 。例如，利用超流氦的超流動(dòng)性可以制造高精度的陀螺儀，用于導(dǎo)航和測(cè)量領(lǐng)域 。超流氦還可以作為量子溶劑，用于研究分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 。在超流氦滴光譜分析中，單個(gè)分子溶于超流介質(zhì)之中，擁有有效的旋轉(zhuǎn)自由度，如同在氣態(tài)之中，這為研究氣體分子提供了新的途徑 。

玻色 - 愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)是物質(zhì)在超低溫下的另一種奇妙狀態(tài)。

1924 年，印度物理學(xué)家玻色和愛(ài)因斯坦從理論上預(yù)言了這種狀態(tài)的存在 。直到 1995 年，美國(guó)科羅拉多大學(xué) JILA 研究所的維曼和康奈爾首次成功觀察到玻色 - 愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)現(xiàn)象 。在這種狀態(tài)下，大量具有整數(shù)自旋的玻色子會(huì)聚集到同一個(gè)量子態(tài)上，形成一個(gè)宏觀量子物質(zhì)波，表現(xiàn)出一系列非常規(guī)的物理特性 。

玻色 - 愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)在精密測(cè)量、量子信息處理以及潛在的量子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用前景 。在精密測(cè)量方面，利用玻色 - 愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)的相干性可以制造出超高精度的原子鐘，其計(jì)時(shí)精度比傳統(tǒng)原子鐘提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí) 。

在量子信息處理領(lǐng)域，玻色 - 愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)可以作為量子比特的候選材料，為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算提供了新的可能 。2024 年，美國(guó)和荷蘭的物理學(xué)家攜手將鈉銫極性分子冷卻至接近絕對(duì)零度，使 1000 多個(gè)分子凝聚成一個(gè)巨大的量子態(tài)，形成了分子 BEC，這進(jìn)一步拓展了玻色 - 愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)的研究范圍 。