数学的世界里充满了空白。如光子的质量空白一片,中子不带电,一个几何点的维度为空。这些空缺或许显得陌生,但它们遵循着统一的逻辑。每一处空白,都代表着某种属性的缺失:或质量、或电量、或尺寸。
继而,我们遇到了谜一样的绝对零度。
我们习惯于将温度视为相对的量度。譬如,一杯茶比火苗冷冽,却比冰块暖和。然而,绝对零度——可能达到的最低温度,却与此常规背道而驰。更为诡异的是,对于非专业人士而言,绝对零度在常用的温度计上并非从零开始:它相当于摄氏零下273.15度,或者华氏零下459.67度。
何以会有这样一个最低温呢?
理解绝对零度的关键,在于把握温度的真谛。温度无非是物质内部分子或原子运动快慢的一种度量,更确切地说,是这些微粒平均动能的反映。
不妨将其想象为一场原子间的躲避球比赛。当球击中你,你便感受到了那股动能。亿万次无形的躲避球撞击,正是我们所体验的温度。
剧烈撞击的原子带来的是灼热的感觉。当热物与冷物相遇,高速的原子会将能量传递给低速的原子,热物降温,冷物则温热起来。
现在,你或许能明白“绝对零度”中“零度”的含义了:它是物质内部分子或原子几乎停止运动的标志。无法再减缓它们的动能,因此不可能存在更低的温度。
在绝对零度,万物皆静止吗?答案是非也。量子力学的奇妙使原子依旧在微幅振动。无论温度多低,原子的运动永不停歇。电子持续绕行,质子与中子同样如此。
究竟谁揭示了绝对零度的秘密?
纪尧姆·阿蒙顿,这位法国发明家,天生聋哑,未曾踏入高校。他在1702年提出这一基本理论。他发现空气压力与温度成正比,并推断出存在一个压力归零的最低温度。他甚至对那个温度做了预测,约为零下240度,与实际值颇为接近。
到了1848年,苏格兰-爱尔兰的物理学家,人称开尔文勋爵的威廉·汤姆森,拓展了阿蒙顿的研究,并提出了一个被他称为“绝对”的温标。他将绝对零度设为起点,简化了那些繁复的负数值。如今,物理学家依赖开尔文(K)温标来度量温度。
宇宙中最寒冷的角落在哪里?
大爆炸所蕴含的热量温暖了整个宇宙,使其远超绝对零度。宇宙的平均温度约为2.74开尔文,或者说是零下454.7华氏度。出乎意料的是,有的天体比宇宙空间还要寒冷。一团不断扩张的气体云,名为“回旋镖星云”,宛若一个星际冰窖。其温度约为1 K,是宇宙间最冷的自然现象。
然而,人类在地球上创造的低温远超于此。2003年,麻省理工学院的研究人员用激光束限制钠原子的速度,将其冷却至绝对零度以上的十亿分之一度,至今保持着世界纪录。
太空之外,最寒冷的所在同样出自人手。去年夏天,宇航员在国际空间站启动了一项名为“冷原子实验室”的实验,其温度比寒冷的太空还要低3000万倍。美国宇航局喷气推进实验室的罗伯特·汤普森,该实验的研究人员之一表示:“这个构想我已研究二十余年,亲手实现它实在令人难以置信。”
当物质冷却时,又会发生何种变化?
超低温度下的原子行为既迷人又蕴含潜在价值。它们凝聚成一种奇特的物质状态,即玻色-爱因斯坦凝聚态。汤普森指出:“我们有人希望利用这种凝聚态提升卫星导航等实际应用的性能,其他人则试图通过它检验物理学的基本原理,或模拟宇宙早期的物理环境。”
在接近绝对零度的环境下,还可能以不同于常规的方式操纵化学反应。
去年春天,哈佛大学的化学家通过操控两个缓慢移动的低温原子,直接构建了一个分子,完成了有史以来最为微小的化学实验。在这一情况下,量子世界的微妙特性变得尤为明显。在这种极端低温之下,我们甚至能够观察到原子和分子的波动特性。
未来,科学家希望探索那些尚未揭示的化学规律,并设计全新的分子。绝对零度实验的其他潜在应用包括高精度传感器和时钟,甚至可能包括超高效的量子计算机。