絕對(duì)零度面面觀

謝 懿/編譯

隨著溫度的降低，大自然會(huì)不斷地把意想不到的事情呈現(xiàn)在人們的面前?？茖W(xué)家最近發(fā)現(xiàn)，超低溫氣體中的分子可以在比室溫大100倍的環(huán)境中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

在接近室溫的實(shí)驗(yàn)中，隨著溫度的降低化學(xué)反應(yīng)會(huì)趨向于減緩。但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在溫度僅比絕對(duì)零度（-273.15℃或0開(kāi)）高幾千萬(wàn)分之一度的時(shí)候，分子仍然可以交換原子并在這個(gè)過(guò)程中形成新的化學(xué)鍵。在如此低溫之下得以大顯身手，這完全得益于奇異的量子效應(yīng)。

“如果你預(yù)期在超低溫環(huán)境下不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，是完全合情合理的，”美國(guó)科羅拉多大學(xué)的科學(xué)家在《科學(xué)》雜志上報(bào)告這一發(fā)現(xiàn)說(shuō)，“但我們的實(shí)驗(yàn)卻對(duì)此說(shuō)不，有很多的化學(xué)反應(yīng)還會(huì)進(jìn)行?！?/span>

下面就讓我們進(jìn)行一次奇異的超低溫之旅。

為什么絕對(duì)零度不可能達(dá)到？  實(shí)際上，為了降低氣體的溫度就需要轉(zhuǎn)移它的熱量，這需要做功。如果把某個(gè)東西冷卻到絕對(duì)零度，所做的功是無(wú)窮大。在量子力學(xué)中，你可以將其歸為海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理——我們知道，一個(gè)粒子的速度越清晰，它的位置就越模糊；反之亦然。如果你知道某些原子在你的實(shí)驗(yàn)中，那么，它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中必定會(huì)存在一些不確定性，使得其溫度高于絕對(duì)零度——除非你的實(shí)驗(yàn)有整個(gè)宇宙那么大。

太陽(yáng)系中最冷的地方  有史以來(lái)，在太陽(yáng)系中測(cè)量到的最低溫度是在月球上。2009年，美國(guó)航空航天局（NASA）的“月球勘測(cè)軌道器”（LRO）在月球南極附近的環(huán)形山永久陰影區(qū)中測(cè)到了-240℃的低溫。這比測(cè)得的冥王星溫度還要低上大約10℃。

宇宙中最冷的自然天體  宇宙中已知最冷的區(qū)域是位于半人馬座、距離我們5000光年的旋鏢星云（ESO-172707）。1997年天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，從中央垂死恒星吹出的氣體會(huì)膨脹并迅速冷卻至1開(kāi)——只比絕對(duì)零度高1度。通常，宇宙中氣體會(huì)被大爆炸遺留下的微波背景輻射加熱到至少2.7開(kāi)。但是，旋鏢星云的膨脹使得它成為了一個(gè)宇宙冰箱，能夠讓氣體保持非同尋常的低溫。

太空中最冷的物體  如果算上人造衛(wèi)星，溫度還可以繼續(xù)降低。2009年5月發(fā)射升空的歐洲空間局（ESA）的“普朗克空間天文臺(tái)”上的一些儀器被冷卻到0.1開(kāi)，以此抑制干擾其觀測(cè)的背景噪音。宇宙空間環(huán)境本身的低溫，再加上使用氫和氦的低溫制冷系統(tǒng)，造就了這一低溫。

地球?qū)嶒?yàn)室能達(dá)到的最低溫度  最低溫度紀(jì)錄誕生于地球上的實(shí)驗(yàn)室。2003年9月，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家宣布，他們可以把一團(tuán)鈉原子冷卻到創(chuàng)紀(jì)錄的0.45納開(kāi)（1納開(kāi)等于十億分之一開(kāi)）。此前，芬蘭赫爾辛基技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家在1999年把銠金屬片冷卻到了0.1納開(kāi)。不過(guò)，這只是某一種特定類(lèi)型運(yùn)動(dòng)——被稱(chēng)為核自旋的量子屬性——的溫度，并非所有可能的整體運(yùn)動(dòng)的溫度。

接近絕對(duì)零度時(shí)氣體的奇異行為  在日常的固體、液體和氣體中，熱或熱能源自于原子和分子的運(yùn)動(dòng)和碰撞。但是，在極低的溫度下，量子力學(xué)的古怪法則會(huì)統(tǒng)治一切，分子不再以通常的方式發(fā)生碰撞，而是以量子力學(xué)波的形式伸展、重疊。當(dāng)它們重疊在一起且所有原子行為都整齊劃一地像一個(gè)“超級(jí)原子”的時(shí)候，就形成玻色-愛(ài)因斯坦凝聚。1995年，科學(xué)家們把一團(tuán)銣原子冷卻到不足170納開(kāi)，由此第一次在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚。

玻色-愛(ài)因斯坦凝聚

[資料來(lái)源：New Scientist][責(zé)任編輯：則 鳴]