接近絕對零度：奇異的物理現(xiàn)象探索

在接近絕對零度的情況下會發(fā)生一些量子效應(yīng)，如超導(dǎo)性、超流動性和玻色-愛因斯坦凝聚。

溫度是我們測量物質(zhì)中粒子動能的方法。粒子振動越快，溫度就越高；當(dāng)粒子振動減慢時，溫度就會下降。從邏輯上講，一旦原子完全停止振動，那就是最冷的時刻，它的溫度為絕對零度。但這是在經(jīng)典力學(xué)的框架內(nèi)進(jìn)行的推論。

在20世紀(jì)初，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)這些理論不再足以描述和預(yù)測在最小尺度上發(fā)生的事情。他們轉(zhuǎn)而深入到基本粒子和量子力學(xué)的世界，旨在描述物質(zhì)和能量在最基本層面上是如何表現(xiàn)。量子物理學(xué)告訴我們，即使達(dá)到可能的最低溫度，粒子仍將始終具有一些無法消除的動能。

這源自海森堡不確定性原理，該原理指出，永遠(yuǎn)無法完全確定任何給定粒子的動量和位置。例如，如果嘗試測量粒子的動量，那么就無法完全確定其位置。反過來，如果測量它的位置，那么就無法完全確定它的動量。因此，即使在最低能量狀態(tài)下，粒子也總是會輕微振動。

物理學(xué)家一直在向低溫挑戰(zhàn)，他們已經(jīng)成功地將物質(zhì)冷卻到只有38皮開爾文。挑戰(zhàn)最低溫度的想法可以追溯到1600年代，那時科學(xué)家們就已經(jīng)掌握了計(jì)算絕對零溫度的方法，他們也一直在嘗試將材料冷卻到盡可能接近這一點(diǎn)。

到1845 年，邁克爾·法拉第 （Michael Faraday） 成功冷卻并找到了當(dāng)時大多數(shù)已知?dú)怏w液化的溫度。例如，氯在-34°C時液化，在-101°C時凍結(jié)。利用當(dāng)時可用的技術(shù)，法拉第設(shè)法達(dá)到-130°C的溫度。

但這還不夠冷，不足以液化氧氣、氮?dú)夂蜌錃獾葰怏w。這些氣體只有在高壓和極低的溫度下才會液化。氮?dú)庥?877年首次液化，溫度為-195°C。氧氣于1883 年液化，溫度為-218°C。氫氣于1898 年首次液化，溫度為 -249°C。

荷蘭物理學(xué)家?？恕た帧ぐ簝?nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）于1908 年第一個在僅4.15開爾文下成功液化氦氣。通過降低液氦的壓力，他將其進(jìn)一步冷卻至僅1.5 開爾文。這是當(dāng)時地球上達(dá)到的最低溫度，昂內(nèi)斯也在這極低的溫度下對某些材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并在此過程中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)性 。這是一個重要的科學(xué)里程碑，昂內(nèi)斯也因其工作而于1913年獲得了諾貝爾獎。

超導(dǎo)性的巧妙之處在于，它是一種量子效應(yīng)，只有在極低的溫度下才會變得明顯。在沒有很大電阻的普通良導(dǎo)體中，攜帶電能的電子流動得很好，但它們?nèi)匀粫虿牧现械碾s質(zhì)和缺陷以及材料的振動而損失的能量。現(xiàn)在，如果你讓某些材料足夠冷，電子就會開始發(fā)生一些奇怪的事情。

它們開始以某種方式耦合在一起，使它們可以在材料中自由移動。因此它們不會相互碰撞，也不會分散， 所以材料就會變得超導(dǎo)。只有當(dāng)材料中的顆粒振動不太大時，這才有可能實(shí)現(xiàn)，這就是為什么材料必須如此冷的原因。

通過超導(dǎo)線環(huán)的電流基本上可以在沒有任何電源的情況下永遠(yuǎn)流動，因?yàn)樗肋h(yuǎn)不會損失任何能量?，F(xiàn)在，由于閉合電路會形成磁場，因此只要能保持足夠冷，該磁場就會成為永久性的。超導(dǎo)磁體有很多應(yīng)用，但最著名的可能是醫(yī)院的MRI機(jī)器，它使用液氦來冷卻超導(dǎo)線圈以產(chǎn)生強(qiáng)磁場，從而生成人體的高對比度圖像。

對超導(dǎo)性的研究仍在進(jìn)行中，事實(shí)證明某些材料在稍高的溫度下也可以變得超導(dǎo)。使用液氮將材料冷卻至僅 90 開爾文要實(shí)用得多，而且便宜得多。科學(xué)家們?nèi)栽趯ふ夷軌蛟诟侠淼臏囟认聦?shí)現(xiàn)超導(dǎo)的材料。這項(xiàng)研究的目標(biāo)是室溫下的超導(dǎo)體，這將使它們比我們現(xiàn)在擁有的任何東西都更加節(jié)能。

超導(dǎo)體的另一個特性是它可以排斥任何外部磁場，因此可以讓磁鐵這樣的外來磁場漂浮在超導(dǎo)材料上方，這在磁懸浮列車的構(gòu)造中很有應(yīng)用。

還有一種相關(guān)的量子效應(yīng)也發(fā)生在接近絕對零的情況下，那就是超流動性。超流體似乎打破了我們所知的物理定律，如果您將其留在開放的容器中，它會慢慢地爬過邊緣并泄漏，它還會從容器中微小的裂縫中滲透出來。如果你攪拌它，它基本上會永遠(yuǎn)保持旋轉(zhuǎn)，只要你能保持材料足夠冷。

這是因?yàn)槌黧w的粘度為零，無論您將其放在什么環(huán)境中，它都不會與任何其他材料發(fā)生摩擦，并且它與自身也不會發(fā)生摩擦。普通的液體，比如水，確實(shí)會爬上它所在的杯壁，但如果你不去管它，它與容器及其本身的摩擦使它能很好地保持在原處。

超流動性是一種非常特殊的現(xiàn)象，我們在液氦中發(fā)現(xiàn)了它。氦非常特別，因?yàn)樗旧嫌肋h(yuǎn)不會凍結(jié)。在正常大氣壓下，將其冷卻至4開爾文會使其液化。當(dāng)我們繼續(xù)降低溫度直至接近絕對零度時，它都一直保持液態(tài)。從技術(shù)上講，我們可以通過對氦施加很大的壓力來使其凝固。

自然界中氦最常見的形式是氦 4，其核心由兩個質(zhì)子和兩個中子組成，兩個電子環(huán)繞核心。由于氦 4 的特殊性質(zhì)，如果將其一直冷卻到4 開爾文，所有氦 4 原子都會落入相同的低能狀態(tài)，并且它們都會開始以相同的方式運(yùn)行。它們不再相互碰撞，并且一致移動，如果您攪拌它，它就會永遠(yuǎn)旋轉(zhuǎn)。這是完全令人驚奇的，因?yàn)檫@是一種我們只用眼睛就能看到的量子效應(yīng)，即使它需要非常特定的環(huán)境。

還有另一種量子效應(yīng)也與超流性和超導(dǎo)性密切相關(guān)，因此也需要極低的溫度，那就是玻色-愛因斯坦凝聚。但首先，您還需要了解一些有關(guān)量子物理學(xué)的知識。

在經(jīng)典力學(xué)中，我們喜歡將粒子想象成彼此相互作用的小球。但在量子物理學(xué)中，由于不確定性原理，不可能知道粒子的所有屬性，它的真實(shí)位置永遠(yuǎn)無法百分百確定，因此最好的方法是將其想象為云或一個具有自己能量特性的概率波。

因此，如果我們將氣體云中的原子冷卻到納開爾文，它們的能量開始接近最低點(diǎn)，這些小波包會變得更大，波長也會變得更長。在大約50納開爾文時，這些波開始重疊并相互混合，并且它們開始表現(xiàn)得就像一個大原子一樣。需要明確的是，它們并沒有變成固體，只是所有這些原子都失去了各自的能量特性，它們凝聚成這個單一的集體量子波。

玻色-愛因斯坦凝聚實(shí)際上是一種不同于固體、液體、氣體和等離子體的物質(zhì)狀態(tài)，但它可能只能在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)，因此非常脆弱。與極冷環(huán)境之外的任何物體的任何相互作用都會破壞它并將其變回正常氣體。

玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)是阿爾伯特·愛因斯坦在1920年代根據(jù)印度物理學(xué)家玻色的工作預(yù)測出來的。直到 1995 年，由物理學(xué)家埃里克·康奈爾 （Eric Cornell） 和卡爾·維曼 （Carl Wieman） 領(lǐng)導(dǎo)的一群科學(xué)家才創(chuàng)造出了這種奇特的物質(zhì)狀態(tài)。他們與德國物理學(xué)家沃爾夫?qū)P特爾 （Wolfgang Kettelre） 一起獲得了 2001 年諾貝爾獎，后者在第一個玻色-愛因斯坦凝聚體制成后幾個月也制造出了玻色-愛因斯坦凝聚體。對此的研究對于幫助我們更好地理解量子物理學(xué)很重要，它可能有助于發(fā)展納米技術(shù)和量子技術(shù)，以及研究黑洞和中子星的性質(zhì)和行為。

審核編輯：黃飛