你有没有脑补过世界上最冷的地方能冻成啥样?咱们平时冬天遇到零下十几度的寒潮,都要把自己裹成粽子才敢出门。更冷的南北极低温能摸到零下八九十度,连钢铁都能冻得脆得像薄冰。但这些温度放在物理世界里,连入门级的寒冷都算不上。
1967年1月12日,美国心理学教授詹姆斯·贝德福德在加州去世,家属直接把他的遗体做了降温处理,塞进装满液氮的存储容器里。他成了全球第一个接受人体冷冻保存的人,到现在这具遗体已经在零下196摄氏度的环境里躺了五十多年。当年做这个决定的所有人,都盼着未来医学足够发达的那天,能把他重新唤醒。
但零下196度远远不是冷的尽头,物理界还藏着一个更离谱的神秘数字,就是零下273.15摄氏度,也叫绝对零度。这个温度是热力学认定的理论最低值,放到开尔文温标里就是0K。不少科学家都觉得,只要真的能摸到这个温度,时间会直接停止流动,人也能实现永生。
温度说白了衡量的就是物质内部粒子运动的剧烈程度,粒子跑得越快温度越高,跑得越慢温度就越低。到了零下273.15度的临界点,粒子的动能会降到量子力学允许的最低点,物质内部几乎不会再产生任何新变化。连能区分时间先后的事件都找不到了,时间可不就像被按下了暂停键嘛。
人体的衰老本来就全靠分子运动撑着,细胞代谢,蛋白质合成,神经信号传递,哪一步都得靠原子动起来才能推进。一旦所有运动彻底停住,衰老直接就失去了发生的基础,所谓的永生设想就是从这里衍生出来的。这说法听着特别像科幻片里的脑洞,背后的逻辑其实一点都不玄乎。
这个神秘的最低温度数字,是两百多年前的科学家一点点算出来的。1802年法国化学家盖-吕萨克公布了自己的气体热膨胀研究,他发现压强不变的情况下,不同气体随温度变化的体积收缩比例几乎完全一致。温度每降1摄氏度,气体体积就缩小它在0摄氏度时体积的二百七十三分之一,顺着这个比例推算,到零下273摄氏度左右,气体体积就会变成零。
物质肯定不可能凭空消失,这个数字说白了就是大自然划下的一条温度红线,谁都没法真正越过去。1848年英国物理学家威廉·汤姆孙提出了绝对温标,直接把这条红线定为温度的零点,他后来受封开尔文勋爵,这套温标也就跟着被叫作开尔文温标。经过后续科学家的反复测定,这个最终零点被精准定格在了零下273.15摄氏度。
之后的一百多年里,全世界的物理学家铆着劲往下探温度的底线,拿到的成果一个比一个离谱。1908年荷兰莱顿大学的物理学家昂内斯首次把氦气液化,人类第一次踏进了4K附近的温区。三年后他用液氦冷却水银,意外发现水银在4.2K左右电阻直接消失,这就是后来大名鼎鼎的超导现象,昂内斯也靠这个成果拿到了1913年的诺贝尔物理学奖。
超导材料里电流流动完全不受阻碍,超导环通上电之后哪怕撤掉电源,电流也能一直循环转个不停。日常世界里能量总会慢慢耗散,到了超导的极低温环境里,能量好像就能近乎永久保存。后来人们又发现了更离谱的超流体,液氦降到2.17K以下的时候,会变成几乎没有黏滞性的神奇液体,它能自己顺着杯壁爬上去,翻过杯沿从外壁流出来,完全无视普通液体的物理规则。
1995年科学家还造出了传说中的玻色-爱因斯坦凝聚态,成千上万个原子处于完全相同的量子态,步调高度统一,整体看上去就像一个放大了的单个粒子。这玩意儿是排在固态液态气态等离子态之后的物质第五种形态,参与研究的三名科学家后来一起拿到了2001年的诺贝尔物理学奖。同年天文学家还在5000光年外的半人马座方向,找到了全宇宙自然环境里最冷的回力棒星云,温度只有1K左右,比宇宙微波背景辐射的温度还低不少。
现在人类制造低温的技术早就把自然界甩在了身后,各种极低温记录一个接一个被刷新。2018年美国航天局在国际空间站的冷原子实验室,把铷原子降到了只比绝对零度高100纳开尔文的温度,创下当时太空已知最低温。2021年德国不来梅大学团队在落塔的微重力环境里,把原子温度压到了38皮开尔文,这个数值只比零下273.15度高出38万亿分之一度,几乎已经贴到了绝对零度的边。
我国在极低温研究领域的进度完全没掉队,甚至走到了世界第一梯队的位置。2016年天宫二号空间实验室发射升空,上面搭载了空间冷原子钟,能在轨道上用激光冷却铷原子做高精度时间频率实验。2022年梦天实验舱成功入轨,舱里配置了超冷原子物理实验柜,中国空间站从此拥有了在轨开展超冷原子研究的专属条件。现在大热的超导量子计算机芯片,运行也得靠这种接近绝对零度的极低温环境支撑。
明明都已经贴得这么近了,人类为啥就是没法真正摸到绝对零度?拦路的是热力学第三定律,任何系统都没法通过有限的步骤冷却到绝对零度。温度越低,想要再往下降一点点付出的代价就越大,想要彻底抵达绝对零度,得付出无限的能量才行。有研究还指出,量子粒子真到了绝对零度的状态,过往经历过的所有信息都会被完全擦除,以前发生的痕迹半点儿都留不下来。
物理学家靠熵来区分过去和未来,熵就是系统的混乱程度,孤立系统的熵永远处在增加的状态,这种不可逆的变化就是时间的前进方向。系统落到零下273.15度的时候,过往的所有痕迹都被抹干净了,也不会再产生新的不可逆变化,时间直接就失去了可以参照的刻度。之前提到的永生设想也是同一个逻辑,人体真的降到绝对零度,所有生理活动全部暂停,身体会被完整封存在当下的那个瞬间。
往整个宇宙的尺度看也是一样的道理,恒星总有燃尽的那天,黑洞也会慢慢通过霍金辐射蒸发殆尽。热量不断从高温处往低温处流动,直到全宇宙所有区域的温度都趋于一致,这个宇宙的最终结局就是大家常说的热寂。到那个时候整个宇宙的温度无限逼近零下273.15度,再也不会有新的事件发生,世间也就彻底失去了存在的意义。
参考资料:
中国科学院高能物理研究所 怎样才能实现绝对零度?
新华网 国际空间站上打造太空最低温 正式科研预计9月开始
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