進軍“絕對零度”，一場永無止境的競賽

海克·卡末林·昂內斯是荷蘭物理學家。1908年7月10日，他和同事們在實驗室中將氦氣凝結成了液體，首次實現了氦的液化。在這項研究中，昂內斯發現，當溫度降至4.2K（約零下269℃）以下時，水銀的電阻突然消失。開始，他以為這是水銀的特殊現象，但后來發現錫、鉛也有這種現象。昂內斯意識到，在非常低的溫度下，某些物質的分子熱運動會接近消失，出現電阻趨近為零的現象。他把這種現象稱為超導，而處于超導狀態下的物質則為超導體。

科學界很快意識到了昂內斯工作的巨大價值，1913年，昂內斯便獲得了諾貝爾物理學獎。事實上，這是首個與“絕對零度”相關的諾貝爾物理學獎，因為昂內斯正是在進軍“絕對零度”的征途中獲此殊榮的，而超導只是在他獲得了4.2K的低溫時，物理世界向他展示的一幕奇異景觀而已。今年正值此獎頒發100周年，讓我們重溫歷史，并沿著人類探索低溫世界的步伐走進一個全新的物理學天地吧！

溫度的本質

溫度無處不在，與人類的日常生活密切相關，然而在過去的很長一段時間里，溫度的概念卻并不清晰。早期的自然哲學家，例如伽利略、牛頓等人都認為熱是一種“流”，而另一些人則認為“冷”是“致冷原子”造成的。與此同時，人們對溫度的測量也很混亂。最可靠的早期溫度計是利用液體受熱膨脹的原理設計的。人們把一種液體約束在玻璃球或者玻璃管中，確定好兩個固定的點，例如沸點和冰點，然后在兩點之間標注刻度以顯示液體表面的位置。這樣一來，所謂“溫度”就在這兩點之間顯示了出來，當時的人稱之為“熱度”。18世紀上半葉，德國人丹尼爾·伽百列·華倫海特和瑞典人安德斯·攝爾修斯分別創立了華氏溫標和攝氏溫標，這兩種表示溫度的方法一直沿用至今。

然而，使用液體測量溫度依靠的是某種物質的物理特性，它只是相對地描述了所謂的“冷”和“熱”。19世紀中葉，英國物理學家威廉·湯姆森試圖不依賴任何單一物質的特性來定義溫度，于是在1848年創立了熱力學溫標，這個溫標成為現代科學的標準溫標，被稱為絕對溫標。湯姆森于1892年被英國政府晉升為開爾文勛爵，所以這個溫標又被稱為開氏溫標，以K為單位。

但溫度究竟是什么呢？這個問題并沒有得到解決，只有當人們理解了物質由原子構成的道理后才能獲得答案。現在我們知道，所謂熱其實就是原子運動時產生的動能；而所謂溫度則是對原子運動速度的一種衡量。換句話說，溫度是原子在物體內部運動的情況。當我們感到一個物體“熱”的時候，說明其原子運動得快；當我們感到一個物體“冷”的時候，說明它的原子運動得慢。了解了這一點，我們對“絕對零度”是一種怎樣的狀態也就不難理解了：它是物體內部安靜到極致的狀態，在這種狀態下，原子的運動完全停止了下來。

那么，接下來的一個問題必然是這樣的：在“絕對零度”下，也就是當物質中的原子處于完全靜止狀態時，它的溫度究竟是多少呢？

永不可及的“絕對零度”

17世紀一個名叫紀堯姆·阿蒙東的法國人發現，密封在一個容器中的氣壓會隨著容器中空氣溫度的下降而下降。阿蒙東觀察到，當空氣從沸點降到冰點時，容器中的氣壓下降了大約四分之一。阿蒙東由此推測，假若空氣繼續冷卻，氣壓便會在某個點上徹底消失，這個時候的溫度應該沒有辦法再降了，也就是說達到了“絕對零度”。依照阿蒙東當時的測算，這個“絕對零度”相當于零下300℃左右。現在看來，阿蒙東的推測與正確的數值并沒有差太多。今天，人們在絕對溫標下確定的“絕對零度”相當于零下273.15℃。

“絕對零度”的確立等于在科學家的面前樹起了一個“標桿”，誰先靠近它，誰便可以摘得一項科學的桂冠。到了19世紀晚期，這項進軍“絕對零度”的競賽便正式拉開了序幕。

然而，盡管通往“標桿”的道路就在眼前，但要真正完全達到“絕對零度”卻是難以實現的。這是因為人們制造低溫的方法類似于冰箱的運作，冰箱的內壁接觸了更冷的物質，例如循環的致冷劑后，熱便被帶給了致冷劑中，從而使冰箱的內部得到冷卻。假若你想把一個物體中的熱量全部帶走，使之達到“絕對零度”，你便必須使用一種比“絕對零度”更冷的物質，這種物質中原子的運動是如此之慢，乃至于比“靜止不動”還要慢，但這怎么可能呢？再者，“絕對零度”意味著原子完全靜止，氣體的體積理應為零，但這也是不會發生的。所以，“絕對零度”永遠不可能達到，只能無限接近。

在冰箱中，制冷劑通過膨脹變得更冷，由于壓力的降低，其內部分子的運動便緩慢了下來。在追逐“絕對零度”的競賽中，人們在起初的階段使用的就是這種方法。那個時候，一種接一種的氣體被壓縮，然后快速膨脹，這個過程不僅降低了溫度，還把氣體凝結成了液體。19世紀70年代后期，法國人路易斯·保羅·卡耶泰使用這種方法在零下183℃的時候得到了液態氧，在零下196℃的時候得到了液態氮。1898年，蘇格蘭人詹姆斯·杜瓦在零下250℃的時候得到了液態氫。這以后，就只剩下氦了。氦的原子連接松散，這使它成為最難液化的氣體，但昂內斯做到了，這就有了文章開始時描述的那一幕：他發現了超導現象。

但事情并沒有就此結束，接下來發生的事情更是令人驚訝。通常情況下，氦核包含兩個中子和兩個質子，所以氦的最常見的原子形式是 氦-4。然而，當溫度降至3.2K時，一種更輕的原子出現了，它是氦-3，比氦-4稀少1000倍。氦-3只有1個中子，一旦液化，它的“行為”和氦-4便完全不同。人們很難想象，僅僅只是少了一個中子，液氦的物理性質就變得不同了。當溫度繼續下降到2.17K時，液氦表面翻涌的氣泡突然沒有了，液體變得異常平靜，這是怎么回事？原來一部分液氦進入到了一種全新的狀態：它完全沒有了黏性，沒有了摩擦力，可以永無止盡地流動，可以輕易地流過微管，可以無任何阻礙地通過連氣體都無法通過的狹縫，這就是超流態。在這種狀態下，不論液體的哪個部分變得更熱或者將出現氣泡，它都能將熱量移開，使氣泡無法形成，所以液氦的表面才變得如此平靜。

低溫世界里的奇遇

上述奇異的現象說明了什么呢？原來我們生活在一個可以被量子力學描述的世界里，而這一點，是只有在低溫世界中才能讓我們明顯地感覺到的。

研究量子現象也是人們熱衷于進軍“絕對零度”的一個重要原因。然而，繼續靠近“絕對零度”已經變得極為困難了，哪怕再冷卻一點點，都會遇到難以想象的困難。打個比方說，假若一枚1厘米見方的銅幣此時的溫度為0.001 K，而一只蝴蝶恰巧從10厘米的高處落到了這枚銅幣上，蝴蝶對銅幣的“沖擊”所帶來的熱量便足以使銅幣的溫度升高100倍。

怎么辦呢？人們想到了用激光的光子與氣體中的原子相撞的方法，這樣的相撞會帶走原子的部分動能，從而減緩原子的運動。從本質上說，這依然沒有擺脫依靠其他物質帶走熱量的原理，但使用的“冷卻液”卻大為不同了，它變得更加精妙和神奇。

這樣的進步很快便有了回報，人們因此獲得難得機會，以探索物質在受控于量子力學時所表現的行為。例如，在低溫下，電子間的相互作用會創造一種準粒子，其質量可達到自由電子的上千倍，它們的“行為”很像一種預言中的粒子——馬約拉納費米子，而這種粒子被認為有可能在未來量子計算機數據處理中發揮重要作用。科學家們還可以使用由超冷物質組成的受控的純量子環境去模擬一顆中子星內部的極端狀態，模擬基本粒子的相互作用和宇宙誕生后最早期的演化過程。隨著人們對低溫世界了解的日益深入，類似的奇跡將不斷發生，它將把我們帶進一個神奇的物理學新世界。

想當初，宇宙在大爆炸后的一剎那，溫度高得驚人，達幾十萬億開。太陽的表面溫度為5800 K，一顆恒星爆炸時溫度可達60億K，超大質量恒星的爆炸和中子星的碰撞更是熱得驚人，人們通過觀測伽馬射線暴得知，這些過程產生的溫度可高達1兆開。然而，宇宙具有驚人的“兩面性”，在另一些地方，由于經過了137億年的冷卻，那里又冷得不可思議。現在我們知道，宇宙微波背景輻射的溫度為2.7K，但2.7K并非最冷，距離地球約5000光年的布莫讓星云非常寒冷，其溫度只有1 K。你可能以為，宇宙中不會有比這更冷的地方了，但是不然，比這更冷的地方就存在于我們的地球上，隱藏在人類的低溫實驗室里，科學家們在那里創造了比“絕對零度”僅高0.000000001K的低溫，而且，記錄還將不斷被刷新……

【責任編輯】龐 云