原文標(biāo)題：《0K，不 OK》
我們的宇宙中充斥著各種不能打破的基本界限。比如像其中最有名的一條：有質(zhì)量的物質(zhì)的速度不能超過光速，差不多是 3×108 米 / 秒 。當(dāng)然還不止這些，普朗克長度是最小可能的長度，數(shù)值是 1.616 x10-35 米 ，普朗克時(shí)間是最小可能的時(shí)間：10-44 秒 ；而可以存在的最冷的溫度是絕對零“度”（開爾文，溫度的單位），也就是 -273.15℃（攝氏度）、或是 -459.67℉（華氏度）。-273℃ 比起前面那些數(shù)字來說看起來不算很小，難道偌大的宇宙中就不存在某個(gè)小角落的地方低于這個(gè)溫度了嗎？
在可知宇宙中，最低的溫度就存在于這個(gè)地球上的某個(gè)實(shí)驗(yàn)室中；而且就像其他基本界限一樣，達(dá)到 0K 的溫度，在理論上 —— 而不是技術(shù)上，不可能發(fā)生。目前，我們可以不斷降低所能達(dá)到的最低溫度、到十億分之一開爾文甚至更小，但卻永遠(yuǎn)不能達(dá)到 0K。
解釋原因前，我們先說說什么是溫度。
冷或熱
當(dāng)我們通過觸摸感覺到冷或者熱的時(shí)候，微觀層面發(fā)生了什么呢？
所有的分子、原子、質(zhì)子或者電子都有一個(gè)本征振動(dòng)，這個(gè)本征振動(dòng)也叫作動(dòng)能，可以輻射熱。粒子運(yùn)動(dòng)得越快，物質(zhì)也就越溫暖。當(dāng)你滴一滴墨水在一壺水中，墨水均勻地?cái)U(kuò)散開來，你便會(huì)發(fā)現(xiàn)這壺水也承載著如此多分子的運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)得快的粒子相比振動(dòng)較慢的粒子來說，在你的皮膚上會(huì)撞擊得更厲害。理論上，絕對零度是一個(gè)所有運(yùn)動(dòng)、也就是所有熱，全部都不存在的狀態(tài)。
但是量子力學(xué)否定了這種情況存在的可能。
除了溫度外，粒子的動(dòng)能還決定了物質(zhì)的性質(zhì)。相比于液體來說，固體中的粒子振動(dòng)更輕微，但它們?nèi)匀皇钦駝?dòng)的狀態(tài) —— 即使是在冰涼的鐵塊中，單個(gè)的鐵原子也是在它的固定結(jié)構(gòu)內(nèi)振動(dòng)的。
加熱冰塊時(shí)，水中的分子會(huì)獲得能量，并從晶體結(jié)構(gòu)中脫離出來（成為液體）；繼續(xù)加熱液體水時(shí)，水分子可以獲得更多的動(dòng)能逃逸出來成為蒸汽（氣體）；當(dāng)電子脫離原子，物質(zhì)便會(huì)離化成等離子體，這種狀態(tài)可以在宇宙星體中發(fā)現(xiàn)。
此外，物質(zhì)還有第五種狀態(tài) —— 玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，由一團(tuán)降溫到非常接近零度而幾乎不運(yùn)動(dòng)的原子組成；這時(shí)，這些原子達(dá)到了相同的能量狀態(tài)從而表現(xiàn)得像一個(gè)原子。當(dāng)所有原子到同一個(gè)量子態(tài)時(shí)，相互之間不可分辨，它們便會(huì)遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)規(guī)律，適用于包括光子在內(nèi)的不可分辨的粒子。在這種狀態(tài)下，我們會(huì)觀測到超流、超導(dǎo)、無電阻這類令人驚奇的現(xiàn)象。
關(guān)于玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)有兩個(gè)特點(diǎn)：
1.這是一個(gè)目前只存在于實(shí)驗(yàn)室中物質(zhì)的狀態(tài)。
2.獲得這種狀態(tài)的物質(zhì)花費(fèi)了科學(xué)家數(shù)十年的時(shí)間，同時(shí)也讓三位物理學(xué)家獲得了 2001 年的諾貝爾獎(jiǎng)。反直覺的是，物理學(xué)家是通過多個(gè)方向的激光來捕獲一團(tuán)原子、使其冷卻下來的。
超導(dǎo)
將原子冷卻至一個(gè)臨界值以下時(shí)會(huì)發(fā)生一個(gè)現(xiàn)象 —— 超導(dǎo)。比如當(dāng)溫度低于 -196℃ 時(shí)，某些金屬的電阻會(huì)降低為零：電子會(huì)在介質(zhì)中流動(dòng)形成在一個(gè)循環(huán)中沒有衰減的電流。
通常情況下，電子形成電流后往往受到阻礙。導(dǎo)電介質(zhì)的內(nèi)部原子排列成晶格，會(huì)進(jìn)行無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)；晶格中的原子釋放電子給電流后帶正電，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(xiàn)為電阻）會(huì)損失電流的能量，當(dāng)溫度降低時(shí)，導(dǎo)體的電阻會(huì)明顯降低。
但是當(dāng)超導(dǎo)發(fā)生時(shí)，現(xiàn)象會(huì)完全不同：當(dāng)某材料達(dá)到一定的冷度時(shí)，它的電阻會(huì)立即完全消失。電流中的電子為了立刻沖到終點(diǎn)，它們會(huì)結(jié)合成對 —— 當(dāng)一個(gè)電子從晶格中流過時(shí)，會(huì)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(jié)合，兩個(gè)電子緊鎖在一起后，便在晶格中肆意穿梭，不會(huì)損失能量。這樣的電子對只能在超導(dǎo)臨界溫度以下的時(shí)候形成，一旦超過這個(gè)溫度，熱量就足以將它們分開。
普通的超導(dǎo)體只能工作在極低的溫度下，需要非常昂貴的液氦來實(shí)現(xiàn)。超導(dǎo)一般會(huì)在非常復(fù)雜和昂貴的設(shè)備上應(yīng)用，比如像醫(yī)用核磁共振成像（MRI）中。但什么時(shí)候、是否能走進(jìn)我們的日常生活卻很難說。埃隆?馬斯克的超級運(yùn)輸裝置 hyperloop 中就將會(huì)應(yīng)用到兩塊超導(dǎo)磁鐵。
1980 年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)某些特殊的陶瓷會(huì)在很高的溫度就可以轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)狀態(tài)，只需要再前進(jìn)小小的一步，這個(gè)技術(shù)就可以變得非常有用。新的超導(dǎo)體的工作溫度可以高達(dá) -135℃ ，雖然還是很低，但是可以利用更便宜、易獲得的液氮實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，室溫下超導(dǎo)仍是科學(xué)家追求的終極目標(biāo)。
但即使是在超導(dǎo)或是玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)下，原子依然在緩慢運(yùn)動(dòng)。理論上，如果我們繼續(xù)給物質(zhì)降溫，會(huì)存在一個(gè)原子不再振動(dòng)的點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)的溫度值不同于熔點(diǎn)或是沸點(diǎn)，它對于所有的材料是一致的，那就是 0K 。也就是說，對于宇宙中所有的元素，化合物、或是分子，給它們建立一個(gè)溫度-振動(dòng)相關(guān)的表格，對應(yīng)于 100%、75%、50%、25% 等等只要是 0 以上的振動(dòng)，不同材料的溫度都是不同的；但是 0 振動(dòng)對于所有物質(zhì)都是一樣的，它們有共同的定義 —— 0 開爾文，我們不可能達(dá)到的狀態(tài)。
實(shí)際上，這種極限狀態(tài)（玻色愛因斯坦凝聚態(tài)）的振動(dòng)還會(huì)輻射出紅外波。紅外波來源于熱輻射，所以所有溫度不為零的物體都會(huì)輻射出紅外波，包括我們覺得已經(jīng)很冷的冰塊，也會(huì)產(chǎn)生紅外輻射；溫度沒有高到產(chǎn)生可見光程度的物體，都在進(jìn)行著紅外輻射。物體溫度越高，輻射的紅外波越多 —— 這就是夜視儀的原理，因?yàn)榧t外輻射是我們的“本征光”—— 除非它的溫度是 0K。
宇宙中的所有物質(zhì)都在輻射著能量，或多、或少，但一定會(huì)存在，這源于所有基本粒子的振動(dòng)。高溫即高振動(dòng)頻率，低溫即低振動(dòng)頻率，阻止這樣的振動(dòng)是不可能的。
在我們了解為什么不能使粒子停止振動(dòng)前，我們需要區(qū)分溫度和熱能之間的一個(gè)重要的區(qū)別。
你有沒有疑惑過，為什么把手放入 200℃的爐子里的傷害相比于放入 100℃沸水中的溫度要小？這是因?yàn)榧词範(fàn)t子里的溫度很高，但熱能卻比沸水的要低。物體的熱能除了與溫度有關(guān)外，還與包含的粒子數(shù)量和密度有關(guān)，爐子中單個(gè)粒子相比于沸水中具有更高的能量，但每秒撞擊你皮膚的水分子數(shù)量卻遠(yuǎn)大于爐子中的粒子，也就攜帶了更高的能量。溫度表現(xiàn)的是分子的平均動(dòng)能，而熱能反應(yīng)了物質(zhì)所有粒子動(dòng)能的總和，所以一座冰山比一杯咖啡具有的熱能更高。
達(dá)到絕對零度
我們現(xiàn)在知道了，熱不過是一些原子和分子本征振動(dòng)的結(jié)果，這意味著其實(shí)“冷”不算是一個(gè)物質(zhì)的性質(zhì)，只是反映了物質(zhì)的熱比較少而已。
我們可以通過對一個(gè)封閉的系統(tǒng)（體積和壓強(qiáng)不變）增加能量來使其溫度升高，只要我們有充足的能量就可以一直如此。理論上溫度不存在上限。反過來，當(dāng)我們需要給一個(gè)系統(tǒng)降溫時(shí)，我們就需要從中“拿走”能量，直到某點(diǎn)系統(tǒng)沒有剩余能量。這一點(diǎn)就是絕對零度點(diǎn)。
熱力學(xué)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(gè)更冷的物體。熱力學(xué)第三定律說明，熱量總是從溫度更高的物體流向溫度更低的物體。舉個(gè)例子，廚房的臺(tái)面上放置著相對更熱的平底鍋，那么平底鍋就會(huì)加熱臺(tái)面，而不是臺(tái)面加熱平底鍋。熱量從不會(huì)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(nèi)的空氣要比食物更冷來從中獲得能量，當(dāng)運(yùn)動(dòng)得較快的食物粒子撞擊空氣中較慢的粒子時(shí)，它們之間交換了一些動(dòng)量和能量，食物粒子的運(yùn)動(dòng)會(huì)減慢變涼而空氣粒子會(huì)運(yùn)動(dòng)更快而變熱，空氣的熱會(huì)在冰箱背面釋放，這也是為什么冰箱背面通常是燙的，這些熱量部分來源于你的食物。
但當(dāng)我們想用這個(gè)方式把物體的溫度降至最低時(shí)，問題就出現(xiàn)了，如果沒有更冷的東西了怎么辦呢？宇宙中不存在沒有運(yùn)動(dòng)和熱能的地方，因?yàn)樗倳?huì)從別處吸收熱量。如果某純凈物質(zhì)的每一個(gè)原子都完全保持在它所在的晶體結(jié)構(gòu)上，那么它可以達(dá)到理論上的絕對零度，此時(shí)其熵為零。
熵的定義之一，是將其描述為物質(zhì)中互相擁擠的原子和分子可能排布的數(shù)量，或是說混亂程度（randomness）。由于物質(zhì)這樣隨機(jī)和不可預(yù)測的內(nèi)在性質(zhì)，能量的轉(zhuǎn)化并不是完全有效的，熵決定了一部分能量不能“有用”。不過在絕對冷時(shí)，分子會(huì)停止隨機(jī)振動(dòng)，能量的流向會(huì)消失，也就不會(huì)有相應(yīng)激發(fā)的分子。熱力學(xué)第三定律的關(guān)鍵在于，當(dāng)一個(gè)完美、純凈的晶體的溫度降低為零時(shí)，其熵也就隨之為零。一個(gè)幾近穩(wěn)定、惰性的物質(zhì)的混亂度也會(huì)消退。
但量子力學(xué)不允許混亂度或是熵為零 —— 但可以極其接近零，比如超導(dǎo)狀態(tài)下的原子的熵。
除了熱量傳遞這種方式，溫度也可以通過壓強(qiáng)和壓強(qiáng)控制：提高壓強(qiáng)和降低體積都可以使溫度升高。我們先假設(shè)已經(jīng)有降溫至 1K 的氦氣了。除了尋找溫度更低的介質(zhì)來抽走能量，我們還可以通過使其膨脹來降溫。這個(gè)過程正發(fā)生在可知宇宙中最冷的地方 —— 旋鏢星云（Boomerang Nebula），這個(gè)星云的溫度是 1K 。星云中的氣體通過極快的速度解釋了為何其變得如此之冷。
最近，MIT 和 CERN 實(shí)驗(yàn)室正在嘗試?yán)梦覀兦懊嫣岬竭^的激光來將納米尺度的物體降溫到最低，此時(shí)物質(zhì)是以玻色愛因斯坦凝聚狀態(tài)存在的。這可能是整個(gè)地球甚至是可知宇宙中最低的溫度 —— 零上十億分之一開爾文。根據(jù)量子力學(xué)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征振動(dòng)停止的溫度。
海森堡不確定性原理說明：一個(gè)物體的位置和動(dòng)量不能同時(shí)被精確確定，即使理論上也不可以。但當(dāng)一個(gè)粒子停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們便會(huì)知道其準(zhǔn)確的位置和狀態(tài)，這是不被量子力學(xué)原理所允許的，同時(shí)反過來，這也證明了絕對零度不可能被實(shí)現(xiàn)。
原文鏈接：
https://rashmi-singh1789.medium.com/the-one-about-absolute-zero-30f1c1f78318
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：The Basic of Everything，翻譯：zhenni，審校：Dannis
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