[中配]絕對零度的存在與極限解析

科學家在大型強子堆裝機中獲得的最高溫度是五萬億開爾溫 人類成功獲得的最低溫度是零零零千零點零零零零三八三八三八匹開爾溫 或者-273.14攝氏度或者-459.66華氏度 但還有其他更熱或更冷的東西嗎 更冷或更熱是什麼意思 爲什麼有些物體比其他物體更溫暖 絕對零度是什麼 爲什麼是-459.67華氏度和-273.15攝氏度 繼續觀看一邊從這個視頻中學習 絕對零度能量是宇宙的基礎 是一切存在的根基 它滲透着一切存在的事物並推動着宇宙的所有機制 能量以不同的形式存在 並在物體運動化學反應以及基本自然現象中 以不同的方式表現出來 根據世界上最著名的公式 一一等於mc平方 甚至物質本身只是能量的一種形式 而在物質中能量以最明顯的形式呈現給我們 溫度 生物通過記錄物質的加熱程度來感知一切的溫度 而它們對此感受得非常敏銳 洗澡時我們可以輕易察覺水溫即使只變化幾度 不過熱水和冷水本質上都有相同的原子組成 那麼溫度這種現象的基礎是什麼呢? 一切都是關於原子的運動 它們總是在移動 即使在一塊固定的鐵中 每個分子也會振盪 是的 即使在晶體結構中被困着 從學校的物理課上 你可能還記得物體的動能是它運動 這正是分子運動的度量 能量越高原子運動的越快 這就是決定溫度的因素 體溫與分子平均動能密切相關 身體溫度越高 其分子的平均動能越大 我們可以很容易想象 當鐵塊或冰中的分子動能持續增加時會發生什麼? 它們會越來越快地振盪 並在某個時刻開始與鄰居拉開距離 獨自行動 幾乎字面上進入自由漂浮狀態 因爲這就是固體如何變成液體的方式 冰融化 金屬也融化 好歹 但現在我們已經知道這一切了 但在過去 人們很難理解這些現象 就像自然界中的其他一切一樣 人們是如何想到可以測量溫度這個想法的? 你有沒有想過 爲什麼提高溫度比降低溫度更容易? 你能在沒有水壺的情況下 把水加熱到一百度嗎? 小菜一碟 而童子軍可以在沒有火柴的情況下做到這一點 類似的人們也可以輕易地將冰轉化爲水和蒸汽 但想要在沒有冰箱的情況下將同樣的水降溫 至少十度更是難上加難 更不用說將其變成冰 想想你會怎麼做 根本沒有頭緒 這正是關鍵所在 人類在過去的一百年裏才學會了如何獲得低溫 這一成就在科學和複雜技術發展到近期階段後才實現 知道爲什麼嗎? 那麼爲什麼在測量長度質量和時間時 我們只使用正值 而在溫度上卻應用了一些負值呢? 畢竟你看一個負五米的距離或者負一百公斤的重量 聽起來太抽象且不切實際 只有溫度有正值和負值 這完全沒有讓我們感到困惑 這裏到底怎麼回事? 讓我們來回顧一下人們是如何開始測量溫度的 1714年自學成才的德國物理學家 加布裏埃爾·法倫海特設定了溫度計的最低點 他將冰水和氨的混合物融化時的溫度定爲零 這是17世紀末科學已知的最低溫度 正如華氏所說 他將人體的正常溫度作爲第二個參考點 他將這兩個點之間的區間劃分爲100個相等的部分 後來被稱爲華氏度 在華氏溫標上冰的熔點是32度 水的沸點是212度 這是我們在英國和美國仍在使用的溫度計量程 而攝氏溫度計則對世界其他地方的人而言更爲熟悉 瑞典天文學家和物理學家安德斯 攝氏在1742年提出了他的刻度 他提出了最簡單和最明顯的框架 冰凍的水零 水沸騰100 就這些了 簡單而聰明 這兩個點之間的100個區間 每一個就稱爲一個攝氏度 你可能已經猜到 我們所使用的華氏溫標或攝氏溫標 主要是爲了國內用途 這與科學對溫度的定義相差甚遠 因此負值純粹是約定俗成的 實際上根本不存在負溫度值 但零溫度卻是一個非常真實的事物 或者說看起來是這樣的 這個基本的測量單位就像光速一樣 付出巨大的努力 你可以接近它 但絕對無法達到 否則會發生一些不好的事情 如果你還記得這個視頻的開頭 那麼你可能會記得溫度與分子運動的速度 或者更確切地說是與分子的振動直接相關 從邏輯上講 存在一個特定的溫度點 在這個點上運動完全停止 這正是絕對零度 可是我們爲什麼無法達到它呢? 這又是一個完全不同的問題 但沒關係 假設分子會停止運轉 那又怎樣? 事實上正是在這裏變得更加有趣 不過這個答案有點令人毛骨悚然 1802年 法國化學家和物理學家約瑟夫·居里·呂薩克發現 在恆定壓力下 氣體的體積與溫度的變化成正比 此外 每當氣體的溫度變化一個攝氏度時 其體積也相應地變化 變化量爲其在零攝氏度時 體積的273分之一 這適用於任何氣體 無論其性質如何 你不需要有狂野的想象力就能理解線性關係 結果是 當氣體被冷卻到零下273攝氏度時 它應該直接消失 如果居里·呂薩克再迷信一點 他肯定會因爲害怕觸碰那種超自然的東西而退縮 那是始終存在的可怕祕密 但他是一位科學家 得出了不同的結論 零下273攝氏度的溫度是最低的 這是一種理論上的極限 絕對零度溫度 那是正確的結論 由此得出了絕對溫度的標度 也稱爲開爾文標度 一個沒有任何負值的 正是這個溫標在科學中被使用 它的零點等於真實的絕對零度 但有些問題仍然沒有答案 絕對零度的本質是什麼 更準確地說 絕對零度對應於攝氏273.15度的溫度 以及華氏459.67度 爲什麼所有原子會在這個溫度停止運動 爲什麼恰好在273.15度時 這個問題本質上是哲學性的 我們宇宙中的情況就是這樣 就像光速、電子的質量 或者任何無法進一步分析的事物一樣 當物質的溫度開始接近這個臨界點時 會發生什麼 對我們來說更有趣 在視頻的早些時候 我們已經發現隨着溫度的升高 原子加速運動最終脫離 導致固體物質轉變爲液體 隨着溫度的升高 這種情況持續發生 即使在液態 物質也變得過於受限 轉變爲蒸汽 甚至轉變爲等離子體 這是一種相當奇特而壯觀的物質形態 但如果我們進行一個逆向實驗 開始降低溫度會怎麼樣呢 冷卻氣體的分子將開始減速 這將觸發液化的過程 氣體變成液體 然後凝固成固體 它的分子排列得很有序 但仍然會震盪 進一步降低固體的溫度 將使這種震動變得越來越不明顯 直到幾乎完全停止 關鍵詞是幾乎 完全停止是不可能的 否則之前提到的那個壞事就會發生 我們只能猜測和推測它可能是什麼 但無論如何我們都會錯 因爲這實際上是不可能的 即使沒有達到絕對零度 僅僅在接近它時 物質就會字面上開始展現魔力 某些現象違背了通常的物理定律 科學家在深度冷卻過程中 探索金屬的性質時 發現了一種驚人的現象 一些金屬在接近絕對零度的溫度下 幾乎完全失去電阻 它們成爲理想的導體 能夠在關閉電路中長時間傳遞電流 而不需要電源本身 這種現象被稱爲超導性 在接近絕對零度的過程中 一些氣體展現出其他奇蹟 例如氦在零下269攝氏度時變爲液態 隨着溫度進一步降低 它的原子可以在微小的毛細管中 毫無摩擦地滲透通過 在物質的正常狀態下 這也是不可能的 這個現象被稱爲超流態 最終超低溫使科學家們 發現了物質的額外第五種聚合態 你可能會好奇 除了固體液體氣體和等離子體 還有什麼其他的狀態 事實證明還存在其他狀態 使我們更接近量子力學的奇蹟 簡直就像魔法一樣 這種物質的存在早在1925年 就被阿爾伯特·愛因斯坦基於 印度物理學家波瑟的研究預測了 首次其潛在存在於1995年 由埃裏克·科內爾和卡爾·維曼 在聯合實驗室天體物理研究所 通過實驗得到確認 爲了獲得這種物質 科學家們使用了幾乎降到 絕對零度的氮原子氣體 但這個物質究竟有什麼特別之處 以至於他們花了整整70年去追尋它 這是件難以理解的奇怪事 更不用說解釋了 簡單來說 我們可以說一些著名的量子效應 在波瑟·愛因斯坦凝聚態中發生 比如疊加意味着 一個粒子可以同時處於 多個不同的地方 是的 這些量子力學的奇異現象 讓科學家們困惑了超過100年 但至少這涉及到難以捉摸的量子 而我們現在談論的是宏觀層面 在這裏我們幾乎可以通過顯微鏡 觀察到量子力學的所有奇妙之處 在實驗室裏 科學家們已經學會了如何通過波瑟 愛因斯坦凝聚態實驗性的減慢光速 不是千分之一 而是達到驚人的每秒0.2毫米 你相信這一點嗎 現在預測這種奇妙物質狀態 將如何彙集人類海尾石上藻 就這樣 最初的電力研究者幾乎無法想象 他們的發現在幾十年內會變成什麼 自然是充滿矛盾的 宇宙最基本的微小粒子 誰知道呢 也許如今在絕對零度領域的突破 Someday會引領人類走向絕對無窮