Hayke kamalin hones是荷蘭物理學(xué)家。早在1908年，他和他的同事們在實驗室里凝結(jié)氦，首次實現(xiàn)氦的液化，研究中hones發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到4.2K以下時，即-269度，也就是-269度，水銀的電阻可能會突然消失。

鉛也有這種現(xiàn)象，他意識到，在低溫下，有些物質(zhì)的熱運動會消失，電阻無線接近于0，他把這樣的現(xiàn)象稱作超導(dǎo)現(xiàn)象，那么處于超導(dǎo)狀態(tài)的物體就是超導(dǎo)體。

科學(xué)界很快認(rèn)出了歐內(nèi)斯特的偉大價值的工作。歐內(nèi)斯特·1913年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。事實上，這是第一個與絕對零度有關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎，因為埃尼斯是在他達(dá)到絕對零度的過程中獲得的，而當(dāng)他達(dá)到4.2開爾文時，超導(dǎo)只是一個奇怪的物理世界。今年是該獎項設(shè)立100周年。我們回顧歷史，跟隨人類探索低溫世界的步伐，進入一個新的物質(zhì)世界!

溫度的本質(zhì)

溫度無處不在，與人類的日常生活息息相關(guān)。然而，溫度的概念在過去很長一段時間內(nèi)一直不明確。像伽利略和牛頓這樣的自然哲學(xué)家認(rèn)為熱是一種“流動”，而其他人則認(rèn)為“冷”是由“冷卻原子”引起的。同時，溫度的測量也很混亂。最早和最可靠的溫度計是根據(jù)液體的熱膨脹原理設(shè)計的。人們限制玻璃球或玻璃管中的液體，將兩個不動點(如沸點和冰點)固定，然后在它們之間放置一個刻度，以指示液體表面的位置。這樣，所謂的“溫度”顯示在這兩點之間，當(dāng)時稱為“熱”。18世紀(jì)上半葉，德國人丹尼爾·加布里埃爾·沃倫海特（Daniel Gabriel warrenheit）和瑞典人安德斯·施爾修斯（Anders schylseuss）分別建立了華氏溫度和攝氏溫度。這兩種表示溫度的方法一直使用到現(xiàn)在。

然而，使用液體來測量溫度取決于物質(zhì)的物理性質(zhì)，這只是對所謂的“冷”和“熱”的相對描述。19世紀(jì)中葉，英國物理學(xué)家威廉·湯姆森（William Thomson）試圖在不依賴任何單一材料性質(zhì)的情況下定義溫度，因此他于1848年建立了熱力學(xué)溫度標(biāo)度。這種溫標(biāo)已成為現(xiàn)代科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)，稱為絕對溫標(biāo)。1892年，英國政府將湯姆森提升為開爾文勛爵，因此該標(biāo)尺也稱為開爾文標(biāo)尺，以K為單位。

但是溫度是多少？這個問題還沒有解決。只有當(dāng)人們明白物質(zhì)是由原子組成的這一真理時，他們才能得到答案。現(xiàn)在我們知道所謂的熱實際上是原子運動產(chǎn)生的動能；所謂的溫度是原子速度的量度。換句話說呢，溫度其實就是物體內(nèi)部原子的運動。當(dāng)我們感覺到物體的“熱”時，它的原子移動得非?？?；當(dāng)我們感覺物體“冷”時，它的原子移動緩慢。有了這種理解，我們就不難理解“絕對零”是什么樣的狀態(tài)：它是物體內(nèi)部非常安靜的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，原子的運動完全停止。

那么，下一個問題必須是：在“絕對零度”，也就是說，當(dāng)物質(zhì)完全靜止時，原子的溫度是多少？

永不可及的“絕對零度”

17世紀(jì)，法國人紀(jì)堯姆·阿蒙登發(fā)現(xiàn)，容器內(nèi)密封的空氣壓力隨著容器內(nèi)空氣的溫度而降低。阿蒙頓觀察到，當(dāng)空氣從沸點降至冰點時，容器內(nèi)的壓力下降了約4/1。阿蒙登推測，如果空氣繼續(xù)冷卻，在某一時刻，壓力會完全消失。在這一點上，應(yīng)該沒有辦法降低溫度，也就是說，它已經(jīng)達(dá)到了“絕對零度”。根據(jù)阿蒙頓當(dāng)時的計算，這個“絕對零度”大約是零下300度?，F(xiàn)在看來，阿蒙頓的猜測并不是完全正確的。在今天，在絕對溫標(biāo)上定義的“絕對零度”就相當(dāng)于-273.15°C。

“絕對零度”的確立相當(dāng)于在科學(xué)家面前設(shè)立一個“基準(zhǔn)”。誰先接近它，誰就能贏得科學(xué)的稱號。到19世紀(jì)末，“絕對零度”的競賽正式開始。

然而，盡管通往“基準(zhǔn)”的道路已在眼前，但很難完全實現(xiàn)“絕對零”。這是因為制造低溫的方法類似于冰箱的操作。冰箱內(nèi)壁與循環(huán)制冷劑等較冷物質(zhì)接觸后，熱量被帶到制冷劑，從而冷卻冰箱內(nèi)部。如果你想帶走物體中的所有熱量并使其達(dá)到“絕對零度”，你必須使用比“絕對零度”更低的物質(zhì)。這種材料中的原子是否可能移動得如此緩慢，甚至比“靜止”還要慢? “絕對零“意味著原子完全處于靜止?fàn)顟B(tài)，氣體的體積應(yīng)該是零，但這不會發(fā)生。然而呢，“絕對零度”這種狀態(tài)永遠(yuǎn)無法達(dá)到，只能無限接近它。

在冰箱中，制冷劑在膨脹的同時冷卻，隨著壓力的下降，制冷劑內(nèi)部分子的運動速度變慢。在“絕對零度”比賽中，人們一開始就采用了這種方法。那時，一種又一種氣體被壓縮，然后迅速膨脹。這一過程不僅降低了溫度，而且還將氣體冷凝成液體。在19世紀(jì)70年代末，法國人路易斯·保羅·卡葉（Louis Paul Cayette）用這種方法獲得了零下183°C的液氧和零下196°C的液氮。1898年，蘇格蘭人詹姆斯·杜瓦（James Dewar）獲得了零下250°C的液氫。在那之后，就只剩下氦了。伊姆斯的原子連接松散，是最難以液化的氣體，但埃尼斯做到了。這是在文章的開頭描述的場景:他發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。

但這并沒有結(jié)束。接下來發(fā)生的事更讓人吃驚。一般來說，氦原子核包含兩個中子和兩個質(zhì)子，所以氦原子最常見的形式是氦-4。當(dāng)溫度降到3.2K時，會有一個更輕的原子出現(xiàn)。它是氦-3，比氦-4薄1000倍。氦-3只有一個中子。一旦液化,它“表現(xiàn)”完全不同于氦- 4。很難想象沒有中子的液氦的物理性質(zhì)會有什么不同。隨著溫度繼續(xù)下降到2.17 k,氣泡表面的液態(tài)氦突然消失,液體變得異常平靜。這是怎么呢一些液氦已經(jīng)進入了一種全新的狀態(tài):它是完全無粘性的，無摩擦的，它可以無限地流動，它可以很容易地通過微管，它可以通過連氣體都無法暢通無阻地通過的間隙。這是超流體。在這種狀態(tài)下，無論液體的哪一部分變熱或出現(xiàn)氣泡，它都會帶走熱量并阻止氣泡的形成，這就是為什么液氦的表面變得如此平靜。

低溫世界里的奇遇

上述奇怪現(xiàn)象是什么意思？事實證明，我們生活在一個可以用量子力學(xué)來描述的世界里，這只有在低溫的世界里才能清楚地感覺到。

量子現(xiàn)象的研究也是人們渴望達(dá)到絕對零度的一個重要原因。然而，保持接近絕對零度已經(jīng)變得極其困難。即使稍有降溫，也會遇到難以想象的困難。例如，一枚1平方厘米的銅幣的溫度為0.001K，一只蝴蝶從僅10厘米的高度落在硬幣上，蝴蝶“撞擊”硬幣產(chǎn)生的熱量足以使硬幣的溫度升高100倍。

這該怎么辦?人們想到了使激光中的光子與氣體中的原子發(fā)生碰撞的方法。碰撞會帶走一些原子的動能，使它們減速。本質(zhì)上，它仍然依靠其他物質(zhì)來散熱，但所用的“冷卻劑”卻大不相同。它變得更加微妙和神奇。

這些進步很快就得到了回報，給了人們一個難得的機會來探索由量子力學(xué)控制的物質(zhì)的行為。例如，在低溫下，電子之間的相互作用產(chǎn)生的準(zhǔn)粒子的質(zhì)量可能是自由電子質(zhì)量的數(shù)千倍。它們的“行為”與預(yù)測的粒子——馬約拉納費米ons非常相似，后者被認(rèn)為在未來量子計算機的數(shù)據(jù)處理中發(fā)揮著重要作用。科學(xué)家們還可以利用一個受控的、純量子的過冷物質(zhì)環(huán)境來模擬中子星內(nèi)部的極端情況、基本粒子的相互作用以及宇宙誕生后的最早演化過程。隨著我們對低溫世界的理解加深，這樣的奇跡將繼續(xù)發(fā)生，把我們帶到一個新的、奇妙的物理世界。

起初，宇宙的溫度在大爆炸后的瞬間驚人地高，達(dá)到了數(shù)十萬億開爾文。太陽的表面溫度是5800 K。當(dāng)一顆恒星爆炸時，溫度可以達(dá)到60億K。超大質(zhì)量恒星的爆炸和中子星的碰撞都非常熱。人們從對伽馬射線爆發(fā)的觀察中知道，這些過程產(chǎn)生的溫度可以高達(dá)1兆卡。然而，宇宙有著驚人的“兩面性”。在其他地方，經(jīng)過137億年的冷卻后，天氣異常寒冷?，F(xiàn)在呢科學(xué)家們知道宇宙微波背景輻射是2.7K，但2.7K并不是最冷的。博莫爾揚星云距離地球約5000光年，非常寒冷，溫度只有1K。你可能會認(rèn)為宇宙中沒有更冷的地方，但除此之外，地球上還有更冷的地方，隱藏在人類低溫實驗室中，科學(xué)家們將那里的低溫設(shè)定為僅比“絕對零度”高0.000000001 K，這個紀(jì)錄正在被打破。