“零度”是指摄氏温标规定的0度,在零度之外有零上和零下之分,而还有一种只有零上没有零下的零度,它就是开氏微温标规定的0度,绝对零度。那么为什么绝对零度没有零下呢?要了解绝对零度,首先需要明白温度是什么?
温度的本质是物体分子运动的剧烈程度。物质内原子、分子等粒子的动能,决定了该物质的温度,物质的温度与粒子的动能成正相关,即粒子的动能越高,其温度越高。举个不恰当的比喻,你跑的越快是不是越暖和?你以为只有你在动?你身体里的各个小小的粒子也在快速运动。
理论上来说,在我们的宇宙里。温度是没有上限的,太阳的温度大约为6000度,原子弹爆炸的温度高达1500万度,但温度是有下限的,也就是绝对零度。物体温度所达到的极限值是个无限靠近又无法达到的值。绝对零度的值为零下273.15度。绝对零度仅仅存在于理论中的下限值,它的热力学温标单位为开尔文,开尔文温标的零点就是绝对零度。或许有人会问,如果温度瞬间达到绝对零度,生命将会不会终结?
人类能够承受的最低温度,在零下60度到零下70度,超出人类承受的极限,人类就会被冻死。因此,我们只能通过现有的低温环境来感受一下低温的可怕,生命存活的低温度极限为零下170度,这样的温度不仅人类生存不了,即便冰河时代的复杂生物也无法生存。研究表明一些简单生物可以在这种环境下生存,如大肠杆菌、伤寒杆菌以及化脓性葡萄球菌都可以在零下170度下生存。但在更加寒冷的状态下,它们也将无法生存。
在寒冷的宇宙空间里,星际尘埃的温度可以低达零下260度。而在这里只有尘埃,毫无生命,可见我们还没有到达绝对零度就已经先冻死了,连最简单的生命也不能幸免。那么,如果现有生命一瞬间达到了绝对零度,会不会像是影视剧中那样瞬间被冰冻起来呢?在极端的世界里,世界并不是我们常人所预想的那样,不会被瞬间冰冻起来,在经典热力学中绝对零度状态下,所有的热运动都会停止物质的性质和状态会发生让人意想不到的变化。
物质密度归于零,一切静止没有运动,没有能量的释放和输入。在没有密度的世界里,所有的物理规律都将不再起作用。就连宇宙运行的主导者引力也会不复存在。绝对零度是一种粒子动能低到量子力学的最低点时,分子几乎不做运动。此时,物质呈现的不是我们常见的液态、固态和气态,它们会聚成唯一的超原子,如果可以看到看起来就像是一个单一的实体。粒子不能完全静止,绝对零度也就无法达到。在量子力学看来,所有的粒子状态都是不确定的,它的能量和动量都是不确定。如果粒子绝对静止,那么量子力学的理论就不再适用,一切都是动量和能量都变得可测,然而这是不可能的。
目前人们创造出的最接近绝对零度的低温,距离绝对零度之差三千万分之一度,但也只能无限接近,却不可能真正得到绝对零度。既然生命无法在低温下生存,光不是生命,在绝对零度状态下是什么样的呢?目前我们所知的主要形态有气态、液态和固态。最常见的三种,另外还有不常见的费米子凝聚态和等离子态,以及玻色爱因斯坦凝聚态。波色爱因斯坦凝聚态是玻色原子,在冷却到接近绝对零度时穿线的超流性物质状态,在绝对零度的世界中不存在光。
因为有光就必然有能量输入,而绝对零度状态是绝对不会有能量输入的。如果温度可以无限接近绝对零度,那么有没有被冻住的可能性?答案是肯定的,光是由光子组成的,光子是玻色子,在无限接近绝对零度时会形成原子超流体,画面会如水银倾泻一般,绝对零度状态下,物质变化具有无限潜力,在绝对零度状态下还存在一种能量及真空能量。理论上来说,在真空状态下,任何能量都应消失,但仍存在一种特殊的能量,就是真空零点能,只在绝对零度下,粒子振动的最基本的能量。在绝对零度状态下,量子真空是没有任何实体的物质状态,它的能量场和物质运动处于最初始的状态,这种状态太具有无限变化的潜在能力。
科学家们希望通过对低温的研究,观察物质在低温状态下会呈现出怎样的物理特性。首先提出绝对零度的人是化学家之父一一波义耳。他因观察到硝酸钾,俗名硝石溶解于水而吸收了大量的热,而认为地球内部存在一种最低温度。现在看来此观点并不正确。却也是为人类物理学的一个领域提出了一个开端。例如地球是宇宙中心这一学说虽不正确,却也为后世天文学做了贡献。
纵然他不是正确的认识,但他标志着一种对绝对零度的探索。在焦耳等人对热力学进行深入研究后,凯尔文给出结果,也就是现在的绝对零度的定义。对于绝对零度的研究证实了宇宙大爆炸理论的正确性。在我们肉眼看不见的某个宇宙的一角,一个名叫回力棒星云的地方。那里温度为零下272度,是宇宙自然中最接近绝对零度的地方。布莫让星云的温度仅仅比绝对零度高大约一度。
这里的热度是自宇宙大爆炸,留存至今的是宇宙大爆炸理论的强有力证据。虽然无法达到绝对零度,但是绝对零度的研究还是给人类带来了很多理论成果。为科学家们对这个宇宙的研究提供了很多强有力的依据,为人类的将来带来了更多的可能性。