进军“绝对零度”，一场永无止境的竞赛

海克·卡末林·昂内斯是荷兰物理学家。1908年7月10日，他和同事们在实验室中将氦气凝结成了液体，首次实现了氦的液化。在这项研究中，昂内斯发现，当温度降至4.2K（约零下269℃）以下时，水银的电阻突然消失。开始，他以为这是水银的特殊现象，但后来发现锡、铅也有这种现象。昂内斯意识到，在非常低的温度下，某些物质的分子热运动会接近消失，出现电阻趋近为零的现象。他把这种现象称为超导，而处于超导状态下的物质则为超导体。

　　科学界很快意识到了昂内斯工作的巨大价值，1913年，昂内斯便获得了诺贝尔物理学奖。事实上，这是首个与“绝对零度”相关的诺贝尔物理学奖，因为昂内斯正是在进军“绝对零度”的征途中获此殊荣的，而超导只是在他获得了4.2K的低温时，物理世界向他展示的一幕奇异景观而已。今年正值此奖颁发100周年，让我们重温历史，并沿着人类探索低温世界的步伐走进一个全新的物理学天地吧！

　　温度的本质

　　温度无处不在，与人类的日常生活密切相关，然而在过去的很长一段时间里，温度的概念却并不清晰。早期的自然哲学家，例如伽利略、牛顿等人都认为热是一种“流”，而另一些人则认为“冷”是“致冷原子”造成的。与此同时，人们对温度的测量也很混乱。最可靠的早期温度计是利用液体受热膨胀的原理设计的。人们把一种液体约束在玻璃球或者玻璃管中，确定好两个固定的点，例如沸点和冰点，然后在两点之间标注刻度以显示液体表面的位置。这样一来，所谓“温度”就在这两点之间显示了出来，当时的人称之为“热度”。18世纪上半叶，德国人丹尼尔·伽百列·华伦海特和瑞典人安德斯·摄尔修斯分别创立了华氏温标和摄氏温标，这两种表示温度的方法一直沿用至今。

　　然而，使用液体测量温度依靠的是某种物质的物理特性，它只是相对地描述了所谓的“冷”和“热”。19世纪中叶，英国物理学家威廉·汤姆森试图不依赖任何单一物质的特性来定义温度，于是在1848年创立了热力学温标，这个温标成为现代科学的标准温标，被称为绝对温标。汤姆森于1892年被英国政府晋升为开尔文勋爵，所以这个温标又被称为开氏温标，以K为单位。

　　但温度究竟是什么呢？这个问题并没有得到解决，只有当人们理解了物质由原子构成的道理后才能获得答案。现在我们知道，所谓热其实就是原子运动时产生的动能；而所谓温度则是对原子运动速度的一种衡量。换句话说，温度是原子在物体内部运动的情况。当我们感到一个物体“热”的时候，说明其原子运动得快；当我们感到一个物体“冷”的时候，说明它的原子运动得慢。了解了这一点，我们对“绝对零度”是一种怎样的状态也就不难理解了：它是物体内部安静到极致的状态，在这种状态下，原子的运动完全停止了下来。

　　那么，接下来的一个问题必然是这样的：在“绝对零度”下，也就是当物质中的原子处于完全静止状态时，它的温度究竟是多少呢？

　　永不可及的“绝对零度”

　　17世纪一个名叫纪尧姆·阿蒙东的法国人发现，密封在一个容器中的气压会随着容器中空气温度的下降而下降。阿蒙东观察到，当空气从沸点降到冰点时，容器中的气压下降了大约四分之一。阿蒙东由此推测，假若空气继续冷却，气压便会在某个点上彻底消失，这个时候的温度应该没有办法再降了，也就是说达到了“绝对零度”。依照阿蒙东当时的测算，这个“绝对零度”相当于零下300℃左右。现在看来，阿蒙东的推测与正确的数值并没有差太多。今天，人们在绝对温标下确定的“绝对零度”相当于零下273.15℃。

　　“绝对零度”的确立等于在科学家的面前树起了一个“标杆”，谁先靠近它，谁便可以摘得一项科学的桂冠。到了19世纪晚期，这项进军“绝对零度”的竞赛便正式拉开了序幕。

　　然而，尽管通往“标杆”的道路就在眼前，但要真正完全达到“绝对零度”却是难以实现的。这是因为人们制造低温的方法类似于冰箱的运作，冰箱的内壁接触了更冷的物质，例如循环的致冷剂后，热便被带给了致冷剂中，从而使冰箱的内部得到冷却。假若你想把一个物体中的热量全部带走，使之达到“绝对零度”，你便必须使用一种比“绝对零度”更冷的物质，这种物质中原子的运动是如此之慢，乃至于比“静止不动”还要慢，但这怎么可能呢？再者，“绝对零度”意味着原子完全静止，气体的体积理应为零，但这也是不会发生的。所以，“绝对零度”永远不可能达到，只能无限接近。

　　在冰箱中，制冷剂通过膨胀变得更冷，由于压力的降低，其内部分子的运动便缓慢了下来。在追逐“绝对零度”的竞赛中，人们在起初的阶段使用的就是这种方法。那个时候，一种接一种的气体被压缩，然后快速膨胀，这个过程不仅降低了温度，还把气体凝结成了液体。19世纪70年代后期，法国人路易斯·保罗·卡耶泰使用这种方法在零下183℃的时候得到了液态氧，在零下196℃的时候得到了液态氮。1898年，苏格兰人詹姆斯·杜瓦在零下250℃的时候得到了液态氢。这以后，就只剩下氦了。氦的原子连接松散，这使它成为最难液化的气体，但昂内斯做到了，这就有了文章开始时描述的那一幕：他发现了超导现象。

　　但事情并没有就此结束，接下来发生的事情更是令人惊讶。通常情况下，氦核包含两个中子和两个质子，所以氦的最常见的原子形式是 氦-4。然而，当温度降至3.2K时，一种更轻的原子出现了，它是氦-3，比氦-4稀少1000倍。氦-3只有1个中子，一旦液化，它的“行为”和氦-4便完全不同。人们很难想象，仅仅只是少了一个中子，液氦的物理性质就变得不同了。当温度继续下降到2.17K时，液氦表面翻涌的气泡突然没有了，液体变得异常平静，这是怎么回事？原来一部分液氦进入到了一种全新的状态：它完全没有了黏性，没有了摩擦力，可以永无止尽地流动，可以轻易地流过微管，可以无任何阻碍地通过连气体都无法通过的狭缝，这就是超流态。在这种状态下，不论液体的哪个部分变得更热或者将出现气泡，它都能将热量移开，使气泡无法形成，所以液氦的表面才变得如此平静。低温世界里的奇遇

　　上述奇异的现象说明了什么呢？原来我们生活在一个可以被量子力学描述的世界里，而这一点，是只有在低温世界中才能让我们明显地感觉到的。

　　研究量子现象也是人们热衷于进军“绝对零度”的一个重要原因。然而，继续靠近“绝对零度”已经变得极为困难了，哪怕再冷却一点点，都会遇到难以想象的困难。打个比方说，假若一枚1厘米见方的铜币此时的温度为0.001 K，而一只蝴蝶恰巧从10厘米的高处落到了这枚铜币上，蝴蝶对铜币的“冲击”所带来的热量便足以使铜币的温度升高100倍。

　　怎么办呢？人们想到了用激光的光子与气体中的原子相撞的方法，这样的相撞会带走原子的部分动能，从而减缓原子的运动。从本质上说，这依然没有摆脱依靠其他物质带走热量的原理，但使用的“冷却液”却大为不同了，它变得更加精妙和神奇。

　　这样的进步很快便有了回报，人们因此获得难得机会，以探索物质在受控于量子力学时所表现的行为。例如，在低温下，电子间的相互作用会创造一种准粒子，其质量可达到自由电子的上千倍，它们的“行为”很像一种预言中的粒子——马约拉纳费米子，而这种粒子被认为有可能在未来量子计算机数据处理中发挥重要作用。科学家们还可以使用由超冷物质组成的受控的纯量子环境去模拟一颗中子星内部的极端状态，模拟基本粒子的相互作用和宇宙诞生后最早期的演化过程。随着人们对低温世界了解的日益深入，类似的奇迹将不断发生，它将把我们带进一个神奇的物理学新世界。

　　想当初，宇宙在大爆炸后的一刹那，温度高得惊人，达几十万亿开。太阳的表面温度为5800 K，一颗恒星爆炸时温度可达60亿K，超大质量恒星的爆炸和中子星的碰撞更是热得惊人，人们通过观测伽马射线暴得知，这些过程产生的温度可高达1兆开。然而，宇宙具有惊人的“两面性”，在另一些地方，由于经过了137亿年的冷却，那里又冷得不可思议。现在我们知道，宇宙微波背景辐射的温度为2.7K，但2.7K并非最冷，距离地球约5000光年的布莫让星云非常寒冷，其温度只有1 K。你可能以为，宇宙中不会有比这更冷的地方了，但是不然，比这更冷的地方就存在于我们的地球上，隐藏在人类的低温实验室里，科学家们在那里创造了比“绝对零度”仅高0.000000001K的低温，而且，记录还将不断被刷新……

　　【责任编辑】庞 云