对于我们人类来说,探索宇宙无异于盲人摸象。
我们从最底层摸起,称这个位置为0米。由于我们距离地面较近,易于计算,我们所在的高度大约是-273.15米。
由于我们像寄居于大象体表的蚂蚁,无法脱离大象的束缚,因此我们永远无法逾越-273.15米的门槛,抵达地面。
我们向上攀爬,通常只能到达数千米的高度,但我们还有石头可以投掷(相当于粒子对撞机的作用)。
我们将石头抛至10的12次方米的高空。然而我们意识到,大象实在过于高大,我们力不从心,只能依赖有限的观察去猜测大象的顶端可能高达1.4X10的32次方米。
如果这个高度属实,那么大象的身高将是我们能够触及的石头抛掷高度的10的20次方倍,也就是一亿亿倍。
对于我们来说,大象的高度是如此不可思议。
所以,我们所认为的高或低,仅仅是因为我们生活在大象的脚下。
倘若存在一种「太初生命」,在宇宙大爆炸初期活动,其活动的温度为10的30次方K。
这些太初生命将温度定义为零度,他们自然会认为10的30次方K相当于0度,正如我们将水的三相点温度定为0℃一样。
太初生命发现,物质内部粒子运动加剧时,温度上升;粒子运动减缓时,温度降低。
他们研究发现,宇宙的高温极限仅为100度,而低温极限则达到负的百万亿亿度。
无论是上限的普朗克温度(T=1.4X10的32次方K)还是下限的绝对零度,人类都无法真正触及。
即使人类距离绝对零度非常接近,也只能是无限接近,而无法真正到达。
大多数物质的固液气三相温度都在数千度以下,超过这个温度便会转变为等离子体状态。
而我们赖以生存的水,其三相点温度仅为273.16K。
这便限定了我们的认知范围,主要局限于这个温度区间。
而这一区间,与整个宇宙温度变化范围10的32次方K相比,无疑是极度“寒冷”的。
空间总是充斥着能量与热量,它们不断互相转换,保持守恒,永不消散。因此,真正的绝对零度是不存在的,除非从一开始就没有任何能量和热量存在于空间中。在这样的空间里,所有物质的粒子振动停止,整体体积缩减至零。
虽然绝对零度不可触及,但可以无限接近。那么,在逼近绝对零度的过程中,会发生什么呢?逼近绝对零度时的量子状态是怎样的呢?
在极低温度下,粒子的物质波长变得非常长,粒子间的物质波重叠度很高,量子效应变得尤为显著。
爱因斯坦曾推测,将玻色子冷却到极低温度时,它们会“沉降”至能量最低的量子态,从而形成一种全新的物质相态,即玻色-爱因斯坦凝聚。
玻色-爱因斯坦凝聚,指的是玻色子原子在接近绝对零度的冷却过程中,展现出的一种特殊的气态超流性物质状态。
1995年,麻省理工学院的沃夫冈·凯特利与科罗拉多大学鲍尔德分校的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼,通过使用气态铷原子在超低温环境下,首次实现了玻色-爱因斯坦凝聚。在此状态下,几乎所有原子都聚集至能量最低的量子态,形成了一个宏观的量子状态。
因此,当所有原子都集中于同一个量子态,这种状态就被称为玻色凝聚或玻色-爱因斯坦凝聚。在这种情况下,达到绝对零度时,粒子的物质波达到无穷大,波动性消失,所有粒子的特性逐渐融合成为一个整体,微观量子态转化为宏观量子态。
在绝对零度发生的相变被称为量子相变,而玻色-爱因斯坦凝聚就是一种量子相变的表现。
1938年,彼得·卡皮查、约翰·艾伦和冬·麦色纳发现,当氦-4冷却至2.2 K时,会转变为一种新的流体状态,称为超流体。超流体氦展现出许多不寻常的特性,如零黏度、量子化的漩涡等。很快人们便认识到,超流体的成因是玻色-爱因斯坦凝聚。
当量子液体的温度低于某个临界转变温度时,会变为超流体。
超流体是一种特殊的物质状态,其显著特性是完全缺乏黏性。如果将超流体置于环状容器中,由于无摩擦力,它可以持续流动。它可以通过极细微的管道毫无阻力地流动,甚至能以一种近乎奇迹的方式从碗中向上“滴”出。
利用玻色-爱因斯坦凝聚的超流体,可以制造出液态光。一般来说,凝聚的折射系数极小,因其密度远低于普通固体。但利用激光可改变玻色-爱因斯坦凝聚原子的状态,增加对特定频率的折射率,从而导致光速在凝聚中的速度骤减,甚至降至数米每秒。
旋转的玻色-爱因斯坦凝聚体可作为黑洞的模型,进入其中的光无法逃逸。凝聚体也可以“冻结”光,被冻结的光在凝聚体解体时释放出来。
在量子力学中,粒子主要分为两类:玻色子和费米子。在逼近绝对零度的过程中,玻色子会凝聚,而费米子则相互排斥。
然而,科学家们已发现费米子也可以形成凝聚态。
费米凝聚:与玻色-爱因斯坦凝聚态类似,费米凝聚由大量费米子占据同一量子态形成。由于泡利不相容原理,费米子不能共享同一量子态,因此不能直接形成玻色-爱因斯坦凝聚态。科学家将两个费米子结合为一个具有玻色子性质的“费米子对”,即库柏对,从而实现费米子对的冷凝,形成费米凝聚。
至于低温纪录:
1926年,达到了0.71K,1933年,0.27K,1957年,0.00002K。
2003年9月12日,实验室通过精确的光子撞击原子,使原子动能趋近于零,达到了仅比绝对零度高出0.5nk(0.5*10^-9K)的温度。
布莫让星云是迄今为止人类所知的宇宙中最冷的区域,温度低至零下272°。
至于高温,虽然人类已创造出数万亿K的高温,但这仅是一瞬间的事,甚至无法研究高温下的物质状态。正如之前所述,人类所能达到的最高温度,仅是理论最高温度的万亿亿分之一,差距遥远。
这种差距,可能类似于人类速度与光速之间的差距。