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绝对零度:百年追求永无止境

我们从很小的时候,就开始与温度搏斗。奶爸奶妈总是将婴儿房弄到暖得密不透风,洗澡水要“刚刚好”,有些东西则“太烫了,快拿开”!

待到稍大一些,我们学会了用数字来衡量对温度的感受,知道水到了0℃就会结冰,20℃是温暖宜人的天气,37℃则是我们身体的温度。在我们认识能力的不断增长的某个节骨眼上,可能是在上学那会儿,我们还会碰到一个远离日常经验的温度:绝对零度。

绝对零度是凉爽的极致,一个理想的、无法达到的、完美的冻结状态。虽然如此,自从19世纪中叶这个概念首次出现以来,很多人终其一生都在追求向它再迈进一步。这个看上去似乎颇为堂吉诃德式(崇高,但徒劳)的目标,实际上却意义非凡。

今年是首个与绝对零度相关的诺贝尔物理学奖授予100周年,自那之后,诺贝尔奖更是纷至沓来。每个朝向绝对零度的进展,都伴随着别样的美丽与秩序,催生出工程领域的奇迹,也加深了我们对基础科学的理解,尤其是何为温度,何又为物质。

迈向最低温度的不息征程,已经揭示出一个充满科学奇迹的世界。图片来源:《新科学家》

令人困惑的温度

我们对温度已经习以为常,对这个概念有多么让人迷惑,常常视而不见。早期的哲学家,比如伽里略、牛顿和波意耳认为,热是所谓热质(caloric)的流动——直到今天我们仍然会说起热“流”。其他一些哲人则认为,冷是由一些“冰冻原子”引起的。

可靠测量热和温度的早期尝试都同病相怜。早期最有用的温度计,依靠的是液体受热时会膨胀的特性。一些液体被密封在一个玻璃球或窄玻璃管中,在两个固定条件下,比如沸水和正在融化的冰水中,标记出液面所在位置。未知温度则用这两个固定点之间均分的刻度来衡量,称为“热度”。问题在于,这种方法会导致“第22条军规”的出现:温度计的校准过程假设,液体在不同温度都以相同方式膨胀,但如果不测量液体随温度的膨胀情况,就无法验证这个假设——要进行这种测量,就又需要一个温度计。

直到19世纪40年代,法国科学家亨利·维克托·勒尼奥(Henri Victor Regnault)用一个密封容器中干燥空气的压力大小来衡量温度,完成了一系列精巧的实验之后,一套可靠的、可重复的温度读数才真正确立起来。对于科学和工业,这可是莫大的恩赐,但当时人们仍无法揭示,这样测量出来的温度究竟代表了什么。

从早期用来测量温度的这么多种标记方式当中,关于温度的这种困惑就可见一斑。有些标记,比如摄氏度和华氏度,用水的不同性质来校准温度,直到今天我们仍在在使用。首先想到不依赖任何单一物质特性来定义一套绝对温度标记的,是19世纪的英国物理学家威廉·汤姆森(William Thomson),也就是后来的开尔文男爵(Lord Kelvin, 绝对温标的单位就以他的名字命名)。他给出的定义非常抽象,依赖于理想热机的运作方式,而理想热机则是由法国科学家尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺(Nicolas Leonard Sadi Carnot)设想出来。但同时,一个对绝对温度更为有力的诠释概念正在成型,而且最终获得成功。

很难想象,曾几何时,那些伟大的科学先驱都无法理解世界上所有物质都由原子构成。只有理解了这一点,温度的本质才豁然开朗。热是原子运动的动能,温度是对原子运动速度的衡量——更准确地说,温度衡量的是分子平均运动速度的平方。当我们在日常生活中感受到某个东西的温度,学究一点的说法应该是,我们正在感觉物质的“躁动”。

一旦接受了物体中的分子在不断抖动这个想法,就会得到一个有关绝对温度的自然定义:它就是所有原子都完全静止的那一点。接下来的问题就是,“这需要多低的温度?”

线索来自那些行家里手。17世纪法国的一位乐器工匠纪尧姆·阿蒙东(Guillaume Amontons)注意到,当从沸点冷却到冰点时,密封容器中的气压会下降“大约1/4”。由此外推的话,他推断,如果继续冷却,气体的压力也许最终会在某个温度之下完全消失——按照今天的标记,这个温度大约在-300℃。后来,随着对理想气体压力和温度测量精度的日益提高,人们发现这个推测不算离谱。今天的绝对零度被定义为开尔文温标下的温度零点,大约相当于-273.15℃。

低温给我们带来了超导现象,带来了超流体,还给我们开启了通往全新世界的大门。图片来源:wikimedia.org

没有结局的故事

追逐绝对零度的竞赛,真正开始是在19世纪末。正如差不多同时上演的、瞄准地球寒极(南北两极)的竞赛一样,这也是踏入未知的旅程。所不同的是,后者胜负已分,而对绝对零度的追寻将永无止期。

要理解其中缘由,不妨想象一下我们家中的冰箱如何运作。冰箱的内壁与比它更冷的物质接触,后者通常是不断循环的制冷剂。这样一来,热就不断从冰箱内流入制冷剂,从而让冰箱内的物体降温。如果想靠这种方式将物体冷却到绝对零度,制冷剂的温度就必须比绝对零度还低,但这是不可能的——因为你无法让分子运动得比完全不动还要慢。你能做到的极限,不过是让它们尽可能接近静止而已。

冰箱内的制冷剂通过膨胀来冷却自身。在这个过程中,它的内部压力降低,从而减慢分子平均运动速度。在这场竞赛的最初阶段,人们也曾以同样的技术来获得更低的温度。一种又一种气体在加压的情况下被冷却,然后让它们快速膨胀。这会进一步降低气体的温度,甚至会发生凝聚,从气态变成液态。

到了19世纪70年代末,法国人路易斯·保罗·卡耶泰(Louis-Paul Cailletet)用各种气体相继膨胀冷却的方法在-183℃得到了液态氧,接着在-196℃得到了液态氮。他和当时的任何人可能都没想到,在20世纪这两种物质会变得多么普通。要是当时让人们展望这些东西的用途,我敢打赌“消疣点痣”和“瞬间制冰”绝对不会上榜。

1898年,苏格兰人詹姆斯·杜瓦(James Dewar)在-250℃液化了氢气,之后就只剩下氦气还未被征服。氦的原子相互作用微弱,因而成为最难被凝聚的气体。说服氦原子进入液体的无数巧思和努力最终得到了回报,1908年7月10日,荷兰莱顿大学的海克·卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)实现了4.2K的低温,首次制得了几立方厘米的液氦。

液氮如今的一大用途,就是用来速冻制造冰激凌。图片来源:flickr.com

一个全新的世界

液氦打开了一扇通向全新物理世界的大门。就在获得液氦之后不久,昂内斯就发现,在非常低的温度下,某些金属会变成超导体。冷却到某一临界温度之下,这些金属的电阻会陡然下降15个数量级,几乎与0无异。诺贝尔奖委员会没有花太久就认识到了昂内斯工作的重要性,1913年授予了他诺贝尔物理学奖。虽然超导技术并未像人们期盼的那样走进千家万户,但核磁共振成像仪的磁铁里就有它,瑞士日内瓦郊外的大型强子对撞机巨大的电磁铁中也有它的身影——正是借助超导的威力,才能产生强大的磁场,将质子束约束在那些环形轨道之中。

但最让人惊叹的低温现象可能还不是超导,而是在首次液化氦气那天,发生在昂内斯眼前的那一幕。透过密封隔离的玻璃容器上的小窗口,他窥见几乎完全透明的液体在翻腾扬沸。把液面上的液氦蒸汽吸出容器,可以移除那些运动速度最快的氦分子,这样可以进一步降低液氦的温度,却反而让液氦的沸腾愈发剧烈起来。

但是接下来,当温度降低到今天我们所说的2.17K时,翻滚的气泡突然消失不见,液氦变得死一般寂静。数十年之后,我们才理解到底发生了什么:部分液氦突然进入一个新的物态——超流态,一种可以完全无摩擦流动、完美导热的状态。不管液氦中的哪个区域部分受热开始要形成气泡,附近的超流液氦就会将这些热带走,将气泡消灭于无形之中。

更为惊人的发现接踵而至。氦原子核通常包含2个质子和2个中子,因此最常见的氦原子是氦-4。比它罕见数千倍的,还有一种氦的同位素——氦-3,它只有1个中子。这些更轻一些的氦-3原子会在3.2K时凝聚,比氦-4的4.2K要低,而且液化之后的行为也完全不同。例如,氦-3的粘滞性非但没有减弱,反而变得更强。

谁能想到,仅仅1个中子的差别就会让液氦的性质发生截然相反的改变?我很想将这些现象称之为非凡,但又难以张口,因为它们其实极度平凡。只不过我们肉眼凡胎,小瞧了平凡物质中的变化万千。

这些貌似怪异的行为背后有一个普遍真理,那就是,我们生活在一个用量子力学描述的世界里。只有当低温抑制了那些随机热运动之后,这一点才变得明显。例如,我们看到氦原子之间的相互作用如此微弱,以至于量子力学允许它们不用挪来挪去就能互换位置。这使得液氦在我们能达到的最低温度下,仍保持液态。实际上,计算表明,在标准大气压下,液氦甚至在绝对零度也仍然不会冻结。

了解量子现象正是促使人们不断挑战绝对零度的动机之一。氦-3和氦-4在液态下的不同性质,成为我们继续下探的平台。在一种名为超冷冰箱的仪器中,氦-4的超流态会让液态氦-3表现得像气体一样,能够在充满氦-4的“真空”中汽化,同时将整个装置继续向下冷却到0.001K,也就是1毫开尔文(mK)。在这个温度下,氦-3自己也终于进入超流态,但是带有磁性。

如果冷却到0.001K算十分困难,那继续向下冷却则需百倍艰辛。所有物质的导热率都随着温度下降而急剧降低,这意味着,想要从某处将热量向外传导需要更长时间。同时物质的比热,也就是变化单位温度所吸收或释放的热量,随温度降低而变得极其微小,以至于任何想要研究某个物体的实验技巧,都会将该物体加热。假设一只蝴蝶从10厘米高处飘落下来,停在一块1厘米见方、温度为0.001K的铜块上,撞击的能量就足以让这个铜块的温度上升100倍。

好在,我们还有一些变通的方法,起码对很少量的物质能够奏效。对于只包含十亿个左右原子的气体团,我们可以采取逐个原子冷却的方法。同时用几束激光相对照射,利用激光光子与每个气体原子碰撞来带走它们的动量,从而让这些气体原子的运动迟缓下来。这里用到的方法,仍然是用一种物体带走另一种物体的热量,只不过现在我们使用的制冷剂变得更为复杂。利用这种激光冷却方法,我们能让原子的运动速度从1毫开尔文时的1米/秒,降低到1毫米/秒,对应温度为1纳开尔文(1 nK=10-9 K)。

这一奇思妙想的奖励,就是让我们有机会排除混乱的热力学的干扰,探索物质在量子力学范围内的行为。比如,我们知道超导本质上是一种量子现象,但花费了数十亿美元之后,我们还是对某些临界温度在130K之上的超导体(所谓高温超导体)的形成机制一无所知。通过制造出一些可控性更好的量子系统,我们就可以用一团超冷原子来模拟此类现象,用激光脉冲来探测和改变原子的相互作用。

我们还可以利用超冷物质周围无可比拟的纯量子环境,来模拟中子星内部的极端环境、基本粒子相互作用,以及早期宇宙中的相变。在低温下,电子通过相互作用产生元激发。这些元激发,有时又被称为准粒子,质量可达自由电子的上千倍,刚好同能在自由空间与希格斯场发生相互作用的基本粒子质量相当。与此类似,超导体中也有准粒子激发。最近的研究发现,这些准粒子的行为类似于马约拉纳费米子——这是一种在理论上很早就得到预言的粒子,它的反粒子就是它本身。

尽管目前还看不到这些实验有何直接应用,但是有上世纪科学发展的前车之鉴,我们最好还是聪明一点儿,不要妄下断言。马约拉纳费米子是被寄希望未来能在量子计算机中处理量子比特的候选者之一,而量子计算机的计算能力足以在现有的通用计算机面前一骑绝尘。这类威力巨大的机器的实现,很可能就依赖于我们在低温下对物质错综复杂性质的掌握。

昂内斯已经将我们带到4.2K,100年过去了,我们还在绝对零度之上那最后一格倒腾,这看上去似乎很奇怪。但我们不应该只盯着最后一度,而是要看到1K和1mK之间、1mK和1µK之间、1µK和1nK之间那隔若天渊的1000倍的差别。

冷却过程的每一个阶段,都像是在降低一间屋子里的背景噪音,好让我们更清楚地聆听自然的沉吟。继续冷却下去,我们就得以在更精微的层次上刺探原子间的作用。即便到了1nK,下面仍然有巨大的冷却空间,pK(picokelvin,皮开尔文,10-12K),fK(femtokelvin,飞开尔文,10-15K),直至无穷。此前曲折离奇的经验提醒我们,接下来会发生什么,你不要猜。

 

编译自:《新科学家》,Ultimate chill: The epic race to reach absolute zero

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发布于2013-07-15, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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kingmagic

理论物理博士,果壳译者

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