?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯是荷蘭物理學(xué)家。1908年7月10日，他和同事們在實驗室中將氦氣凝結(jié)成了液體，首次實現(xiàn)了氦的液化。在這項研究中，昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)，當溫度降至4.2K（約零下269℃）以下時，水銀的電阻突然消失。開始，他以為這是水銀的特殊現(xiàn)象，但后來發(fā)現(xiàn)錫、鉛也有這種現(xiàn)象。昂內(nèi)斯意識到，在非常低的溫度下，某些物質(zhì)的分子熱運動會接近消失，出現(xiàn)電阻趨近為零的現(xiàn)象。他把這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)，而處于超導(dǎo)狀態(tài)下的物質(zhì)則為超導(dǎo)體。

科學(xué)界很快意識到了昂內(nèi)斯工作的巨大價值，1913年，昂內(nèi)斯便獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。事實上，這是首個與“絕對零度”相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎，因為昂內(nèi)斯正是在進軍“絕對零度”的征途中獲此殊榮的，而超導(dǎo)只是在他獲得了4.2K的低溫時，物理世界向他展示的一幕奇異景觀而已。今年正值此獎頒發(fā)100周年，讓我們重溫歷史，并沿著人類探索低溫世界的步伐走進一個全新的物理學(xué)天地吧！

溫度的本質(zhì)

溫度無處不在，與人類的日常生活密切相關(guān)，然而在過去的很長一段時間里，溫度的概念卻并不清晰。早期的自然哲學(xué)家，例如伽利略、牛頓等人都認為熱是一種“流”，而另一些人則認為“冷”是“致冷原子”造成的。與此同時，人們對溫度的測量也很混亂。最可靠的早期溫度計是利用液體受熱膨脹的原理設(shè)計的。人們把一種液體約束在玻璃球或者玻璃管中，確定好兩個固定的點，例如沸點和冰點，然后在兩點之間標注刻度以顯示液體表面的位置。這樣一來，所謂“溫度”就在這兩點之間顯示了出來，當時的人稱之為“熱度”。18世紀上半葉，德國人丹尼爾·伽百列·華倫海特和瑞典人安德斯·攝爾修斯分別創(chuàng)立了華氏溫標和攝氏溫標，這兩種表示溫度的方法一直沿用至今。

然而，使用液體測量溫度依靠的是某種物質(zhì)的物理特性，它只是相對地描述了所謂的“冷”和“熱”。19世紀中葉，英國物理學(xué)家威廉·湯姆森試圖不依賴任何單一物質(zhì)的特性來定義溫度，于是在1848年創(chuàng)立了熱力學(xué)溫標，這個溫標成為現(xiàn)代科學(xué)的標準溫標，被稱為絕對溫標。湯姆森于1892年被英國政府晉升為開爾文勛爵，所以這個溫標又被稱為開氏溫標，以K為單位。

但溫度究竟是什么呢？這個問題并沒有得到解決，只有當人們理解了物質(zhì)由原子構(gòu)成的道理后才能獲得答案?，F(xiàn)在我們知道，所謂熱其實就是原子運動時產(chǎn)生的動能；而所謂溫度則是對原子運動速度的一種衡量。換句話說，溫度是原子在物體內(nèi)部運動的情況。當我們感到一個物體“熱”的時候，說明其原子運動得快；當我們感到一個物體“冷”的時候，說明它的原子運動得慢。了解了這一點，我們對“絕對零度”是一種怎樣的狀態(tài)也就不難理解了：它是物體內(nèi)部安靜到極致的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，原子的運動完全停止了下來。

那么，接下來的一個問題必然是這樣的：在“絕對零度”下，也就是當物質(zhì)中的原子處于完全靜止狀態(tài)時，它的溫度究竟是多少呢？

永不可及的“絕對零度”

17世紀一個名叫紀堯姆·阿蒙東的法國人發(fā)現(xiàn)，密封在一個容器中的氣壓會隨著容器中空氣溫度的下降而下降。阿蒙東觀察到，當空氣從沸點降到冰點時，容器中的氣壓下降了大約四分之一。阿蒙東由此推測，假若空氣繼續(xù)冷卻，氣壓便會在某個點上徹底消失，這個時候的溫度應(yīng)該沒有辦法再降了，也就是說達到了“絕對零度”。依照阿蒙東當時的測算，這個“絕對零度”相當于零下300℃左右?，F(xiàn)在看來，阿蒙東的推測與正確的數(shù)值并沒有差太多。今天，人們在絕對溫標下確定的“絕對零度”相當于零下273.15℃。

“絕對零度”的確立等于在科學(xué)家的面前樹起了一個“標桿”，誰先靠近它，誰便可以摘得一項科學(xué)的桂冠。到了19世紀晚期，這項進軍“絕對零度”的競賽便正式拉開了序幕。

然而，盡管通往“標桿”的道路就在眼前，但要真正完全達到“絕對零度”卻是難以實現(xiàn)的。這是因為人們制造低溫的方法類似于冰箱的運作，冰箱的內(nèi)壁接觸了更冷的物質(zhì)，例如循環(huán)的致冷劑后，熱便被帶給了致冷劑中，從而使冰箱的內(nèi)部得到冷卻。假若你想把一個物體中的熱量全部帶走，使之達到“絕對零度”，你便必須使用一種比“絕對零度”更冷的物質(zhì)，這種物質(zhì)中原子的運動是如此之慢，乃至于比“靜止不動”還要慢，但這怎么可能呢？再者，“絕對零度”意味著原子完全靜止，氣體的體積理應(yīng)為零，但這也是不會發(fā)生的。所以，“絕對零度”永遠不可能達到，只能無限接近。

在冰箱中，制冷劑通過膨脹變得更冷，由于壓力的降低，其內(nèi)部分子的運動便緩慢了下來。在追逐“絕對零度”的競賽中，人們在起初的階段使用的就是這種方法。那個時候，一種接一種的氣體被壓縮，然后快速膨脹，這個過程不僅降低了溫度，還把氣體凝結(jié)成了液體。19世紀70年代后期，法國人路易斯·保羅·卡耶泰使用這種方法在零下183℃的時候得到了液態(tài)氧，在零下196℃的時候得到了液態(tài)氮。1898年，蘇格蘭人詹姆斯·杜瓦在零下250℃的時候得到了液態(tài)氫。這以后，就只剩下氦了。氦的原子連接松散，這使它成為最難液化的氣體，但昂內(nèi)斯做到了，這就有了文章開始時描述的那一幕：他發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。

但事情并沒有就此結(jié)束，接下來發(fā)生的事情更是令人驚訝。通常情況下，氦核包含兩個中子和兩個質(zhì)子，所以氦的最常見的原子形式是 氦-4。然而，當溫度降至3.2K時，一種更輕的原子出現(xiàn)了，它是氦-3，比氦-4稀少1000倍。氦-3只有1個中子，一旦液化，它的“行為”和氦-4便完全不同。人們很難想象，僅僅只是少了一個中子，液氦的物理性質(zhì)就變得不同了。當溫度繼續(xù)下降到2.17K時，液氦表面翻涌的氣泡突然沒有了，液體變得異常平靜，這是怎么回事？原來一部分液氦進入到了一種全新的狀態(tài)：它完全沒有了黏性，沒有了摩擦力，可以永無止盡地流動，可以輕易地流過微管，可以無任何阻礙地通過連氣體都無法通過的狹縫，這就是超流態(tài)。在這種狀態(tài)下，不論液體的哪個部分變得更熱或者將出現(xiàn)氣泡，它都能將熱量移開，使氣泡無法形成，所以液氦的表面才變得如此平靜。

低溫世界里的奇遇

上述奇異的現(xiàn)象說明了什么呢？原來我們生活在一個可以被量子力學(xué)描述的世界里，而這一點，是只有在低溫世界中才能讓我們明顯地感覺到的。

研究量子現(xiàn)象也是人們熱衷于進軍“絕對零度”的一個重要原因。然而，繼續(xù)靠近“絕對零度”已經(jīng)變得極為困難了，哪怕再冷卻一點點，都會遇到難以想象的困難。打個比方說，假若一枚1厘米見方的銅幣此時的溫度為0.001 K，而一只蝴蝶恰巧從10厘米的高處落到了這枚銅幣上，蝴蝶對銅幣的“沖擊”所帶來的熱量便足以使銅幣的溫度升高100倍。

怎么辦呢？人們想到了用激光的光子與氣體中的原子相撞的方法，這樣的相撞會帶走原子的部分動能，從而減緩原子的運動。從本質(zhì)上說，這依然沒有擺脫依靠其他物質(zhì)帶走熱量的原理，但使用的“冷卻液”卻大為不同了，它變得更加精妙和神奇。

這樣的進步很快便有了回報，人們因此獲得難得機會，以探索物質(zhì)在受控于量子力學(xué)時所表現(xiàn)的行為。例如，在低溫下，電子間的相互作用會創(chuàng)造一種準粒子，其質(zhì)量可達到自由電子的上千倍，它們的“行為”很像一種預(yù)言中的粒子——馬約拉納費米子，而這種粒子被認為有可能在未來量子計算機數(shù)據(jù)處理中發(fā)揮重要作用?？茖W(xué)家們還可以使用由超冷物質(zhì)組成的受控的純量子環(huán)境去模擬一顆中子星內(nèi)部的極端狀態(tài)，模擬基本粒子的相互作用和宇宙誕生后最早期的演化過程。隨著人們對低溫世界了解的日益深入，類似的奇跡將不斷發(fā)生，它將把我們帶進一個神奇的物理學(xué)新世界。

想當初，宇宙在大爆炸后的一剎那，溫度高得驚人，達幾十萬億開。太陽的表面溫度為5800 K，一顆恒星爆炸時溫度可達60億K，超大質(zhì)量恒星的爆炸和中子星的碰撞更是熱得驚人，人們通過觀測伽馬射線暴得知，這些過程產(chǎn)生的溫度可高達1兆開。然而，宇宙具有驚人的“兩面性”，在另一些地方，由于經(jīng)過了137億年的冷卻，那里又冷得不可思議?，F(xiàn)在我們知道，宇宙微波背景輻射的溫度為2.7K，但2.7K并非最冷，距離地球約5000光年的布莫讓星云非常寒冷，其溫度只有1 K。你可能以為，宇宙中不會有比這更冷的地方了，但是不然，比這更冷的地方就存在于我們的地球上，隱藏在人類的低溫實驗室里，科學(xué)家們在那里創(chuàng)造了比“絕對零度”僅高0.000000001K的低溫，而且，記錄還將不斷被刷新……

【責任編輯】龐 云