科学家试图无限接近神的领域绝对零度！

　　什么是神的领域？那就是以我们人类目前的科技水平，永远无法达到的领域，比如宇宙之外，比如光速旅行，比如创造意识，比如绝对零度。你能想像到的最冷的东西或地方是什么？南极冬季的气温下降至-85ºC，在月球的黑暗面，它们达到-173ºC，常压下的液态氮，温度低至
　　－196℃。而在美国宇航局的国际空间站中，来自NASA的科学家们正在进行一项宇宙中最冷的实验，这个实验的目的，是要制造宇宙中最冷的东西，他们要使原子的温度，降低到绝对零度！绝对零度是-273.15℃，这是宇宙中低温的极限值，宇宙中没有任何物质的温度，可以低于绝对零度，这也是它被称为绝对零度的原因。绝对零度对于我们人类目前的科技水平来说，是名副其实的神之领域！那绝对零度到底有什么神奇之处呢，科学家们为什么想要制造绝对零度，又如何制造呢？我们从头说起。
　　从国际空间站的冲天炉内部拍摄的照片，显示了诺斯罗普·格鲁曼（以前称为Orbital ATK）的天鹅座宇宙飞船于2018年5月24日抵达该站。该车载有美国宇航局的冷原子实验室等。来源：NASA
　　要理解绝对零度的神奇，首先我们要知道，物质的温度，是由物质的分子、原子等粒子的振动而产生的，粒子振动的动量越大，则物质的温度越高。比如你摸到一块儿铁，感觉很烫，就说明它内部的铁原子等粒子振动很剧烈，拥有很高的动量，这些粒子的动量，在我们宏观上的感觉就是热。反之，粒子振动越慢，动量越小，则物质温度越低。而绝对零度，是物质的分子、原子等粒子完全停止振动，其动量为0时物质的温度，以字母K（开）表示，处于绝对零度的物质我们说他的温度为0开，或-273.15℃ 。读过小编上一篇介绍量子基本知识的文章的朋友应该还记得，我们说过，在10^-8米数量级以下的世界，需要遵从量子力学的基本原理，既然绝对零度已经涉及到物质的分子原子等粒子，那么它一定逃不出量子力学的制约。量子力学中有一条最基本的规则，＂量子不确定性原理＂，这条规则规定了一个量子世界必须遵守的最基本事实：＂粒子速度的不确定性＂和＂粒子位置的不确定性＂的乘积一定不能小于普朗克常数h（h=6.62607015×10^-34焦耳·秒）。那么，上文我们说过，倘若物质处于绝对零度，那意味着它所有粒子的一切运动停止，则此时物质粒子的运动速度为0，既上式中的＂粒子速度的不确定性＂为零，进而整个乘积为0，这显然违反了＂量子不确定性＂这条量子力学的最基本原理，我们的科技即使再发达，也不能突破物理定律而存在。因此看起来，绝对零度对目前的人类科技水平来说，是神之领域，它只可在理论中存在，而在现实中，我们只能无限逼近于它，却不能达到。
　　然而，随着科学的不断进步，科学家们通过大量实验以及经过量子力学修正后的理论导出，在接近绝对零度的地方，分子的动能是趋于一个固定值的，也就是说绝对零度时，分子的能量其实也并不为零，而是具有一个很小的数值，这个极值被叫做零点能量。绝对零度时，物质的全部粒子都处于量子力学允许的最低能量状态，既基态。因此，在绝对零度下，并不是我们以前认为的所有能量消失，而是仍然有能量存在，这个能量就是大名鼎鼎的真空零点能，既量子真空中的零点能量。量子真空是一个很有趣的概念，在量子真空中，没有任何实物粒子的物质状态。比如说有一块铁，常温下它是实实在在存在的，但如果说我们在理想状态下把它降到绝对零度，你就会看不见它了，因为维持原先铁元素构成的粒子已经不再保持之前的震动，而是全部处于最低能量的基态。而零点能，则是在量子真空中由胶子，光子，玻色子等虚粒子，不断产生的反粒子（反质子，反中子，反中微子等）的出现和湮灭而产生的。简单一点说就是，物质温度达到绝对零度时，将形成量子真空，在这种状态下没有任何实物粒子，只存在虚粒子和反粒子产生及湮灭的真空零点能。据推测，量子真空中，每立方厘米包含的能量密度有10^13焦耳。在谈到宇宙起源时，根据大爆炸理论，我们的宇宙始于一个奇点大爆炸，那么这个奇点又是从哪里来的呢？有科学家推测产生宇宙大爆炸的奇点或许就来源于真空零点能。是量子真空中的＂无中生有＂。
　　物质在接近绝对零度时会有许多有趣的现象发生，在这样的极低温下，物质既不是液态，也不是固态，更不是气态，比如有一种在自然界中，最难液化的惰性气体，氦气，在-268.9℃时，氦气会变为超液态，原本装在瓶子里的液体，轻而易举地从只有0.01毫米的缝隙中，溢到了瓶子外面，然后会像喷泉一样喷出来，因为在这样的极低温下，氦原子之间的粘滞性消失了，他们看起来是液体，但实际却是一大堆松散的粒子，就像一个挤满了人的泳池，虽然看起来人挤人，但是人与人之间却没有粘性，是随时可以互相分散开来的个体。在温度继续降低之后，有些物质会变为除液态、气态、固态、等离子态之外的物质第五态：波色-爱因斯坦凝聚态。波色-爱因斯坦凝聚态要求物质的温度需低于170*10^-9 开尔文，只比绝对零度高170纳开。处于波色-爱因斯坦凝聚态的物质，它的所有原子，会突然凝聚成同一种状态。这里的＂凝聚＂与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然＂凝聚＂到同一状态。就像本来乱哄哄的一群人，突然全部＂凝聚＂到像阅兵仪式一样整齐划一的状态。因此处于波色-爱因斯坦凝聚态的物质，它所有的原子活动就像一个单个粒子一样，我们只要研究单个粒子就可以了解这种物质总的状态。玻色-爱因斯坦凝聚态的物质还有一个非常有趣的特性。它们有非常高的光学密度差，因此科学家们可以用波色-爱因斯坦凝聚态的物质模拟黑洞，入射的光不会逃离，就像黑洞吸收光线一样。所以我们看到科学家们制造和研究黑洞的故事，绝不只是发生在科幻电影里，科学家们的确可以通过波色-爱因斯坦凝聚态，在实验室中，模拟研究黑洞。我们虽然无法达到绝对零度，但是越接近它，我们就可以越接近了解绝对零度的真相。所以，科学家们不断在实验室中突破能制造的低温极限，目前我们能制造的低温已经达到了皮开级别，既10^-12开尔文级别，并且这个极限还一直在被突破。要制造这种极低温，科学家们利用的技术主要是激光冷却和蒸发冷却。
　　封装在保护层中的冷原子实验室（CAL）装载到诺斯罗普格鲁曼公司（以前称为Orbital ATK）的天鹅座飞船上，前往国际空间站。来源：NASA
　　在NASA国际空间站的冷原子实验室中，科学家们主要也是通过激光冷却和蒸发冷却这两项技术，来制造波色-爱因斯坦凝聚态的超冷原子云的。地球上的实验室也可以产生超冷原子，但是在地面上，重力会拉动冷却的原子云迅速下降，科学家们只有几分之一秒的时间来观察它们。虽然我们可以利用磁场来＂捕获＂原子并保持它们静止，但这限制了它们的自然运动。在太空的微重力环境中，冷原子云漂浮的时间更长，科学家们可以更深入地了解它们的行为。制造冷原子云的过程首先始于激光，通过激光发出的光子，以特定的角度和速度与原子发生碰撞，从而减慢原子的运动速度，达到降温的目的。就像一个晃动中的单摆，假如我们使一个物体以合适的方向和速度与它碰撞，则这个单摆就会停下来。然后我们用无线电波移除这些原子云中，温度较高的部分，最后，我们把原子云从磁阱中释放出来，让他们膨胀，膨胀会使原子云中的压力降低，进而温度进一步下降。这些原子云的温度最终会被降低到皮开级别，既-273.149999999……摄氏度，无限接近于绝对零度。
　　冷原子实验室（CAL）物理学家David Aveline在CAL试验台上工作，这是CAL设施的复制品，留在地球上。科学家使用试验台进行测试，了解CAL在国际空间站上运行时发生的情况。来源：NASA
　　科学家们还可以通过＂切割＂这些原子云，将它们分成两半，然后再让它们合并，通过观察两组被切割的原子云在合并过程中所表现出来的差异，探测引力波。我们知道，目前我们探测引力波的主要方式是激光干涉仪，激光干涉仪探测器的主要运作原理是测量引力波通过时对两个相隔遥远位置之间距离的影响。之前被炒得沸沸扬扬的所谓＂外星人讯号＂，就是使用激光干涉技术的LIGO探测器所探测到的双黑洞合并引力波。而实验结果表明，NASA太空站冷原子实验室中所制造出来的，这些处于波色-爱因斯坦凝聚态的原子云，可以提供一种全新的方法来检测这些宇宙中形成的＂引力波＂。现在我们能看到的，宇宙最早的图景是宇宙微波背景辐射，我们通过宇宙留下的这张最早的＂照片＂来了解宇宙的演化历史，但从宇宙奇点爆炸的那一刻起，到第一个光子能够从粒子中被释放出来形成微波背景辐射为止，这段时间，宇宙是处于完全的黑暗之中，我们无法通过微波背景辐射来了解这段时间的历史，这段时间内宇宙曾经发生过什么，目前我们一无所知，而引力波的探测，则会帮助我们了解这一期间的真相，因为这段时间内宇宙虽没有微波辐射，但是却有引力，也就有引力波。因此对于超冷原子云的这一发现有可能将在未来颠覆我们认识宇宙的方式。
　　宇宙双黑洞合并示意图
　　在宇宙中，目前我们发现的最冷的地方，是距地球5000光年外的‘回力棒星云’，那里的温度低至零下272℃，仅比绝对零度高1.5℃，被称为＂宇宙冰盒子＂。而目前我们的科技，已经远远超过了这个宇宙最低值，每当NASA太空站中的冷原子实验室工作时，它就会成为整个宇宙中，最冷的地方。 是名副其实的宇宙中最酷（COOL冷）的实验。
　　无限接近于绝对零度下粒子状态的研究，对于量子物理学来说意义重大，随着超冷研究的逐步深入，无论对于未来科技的应用，还是对于我们了解宇宙的历史，都将产生深远的影响。
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