絕對零度：百年追求永無止境

Kingmagic

我們從很小的時候，就開始與溫度搏斗。奶爸奶媽總是將嬰兒房弄到暖得密不透風，洗澡水要“剛剛好”，有些東西則“太燙了，快拿開”！

待到稍大一些，我們學會了用數字來衡量對溫度的感受，知道水到了0℃就會結冰，20℃是溫暖宜人的溫度，37℃則是我們身體的溫度。在我們認識能力的不斷增長的某個節骨眼上，可能是在上學那會兒，我們還會碰到一個遠離日常經驗的溫度：絕對零度。

絕對零度是涼爽的極致，一個理想的、無法達到的、完美的凍結狀態。雖然如此，自從19世紀中葉這個概念首次出現以來，很多人終其一生都在追求向它再邁進一步。這個看上去似乎頗為堂吉訶德式（崇高，但徒勞）的目標，實際上卻意義非凡。

2013年是首個與絕對零度相關的諾貝爾物理學獎授予100周年，自那之后，諾貝爾獎更是紛至沓來。每個朝向絕對零度的進展，都伴隨著別樣的美麗與秩序，催生出工程領域的奇跡，也加深了我們對基礎科學的理解，尤其是何為溫度，何又為物質。

令人困惑的溫度

我們對溫度已經習以為常，對這個概念有多么讓人迷惑，常常視而不見。早期的哲學家，比如伽利略、牛頓和波義耳認為，熱是所謂熱質（caloric）的流動——直到今天我們仍然會說起熱“流”。其他一些哲人則認為，冷是由一些“冰凍原子”引起的。

可靠測量熱和溫度的早期嘗試都同病相憐。早期最有用的溫度計，依靠的是液體受熱時會膨脹的特性。一些液體被密封在一個玻璃球或窄玻璃管中，在兩個固定條件下，比如沸水和正在融化的冰水中，標記出液面所在位置。未知溫度則用這兩個固定點之間均分的刻度來衡量，稱為“熱度”。問題在于，這種方法會導致“第22條軍規”的出現：溫度計的校準過程假設，液體在不同溫度都以相同方式膨脹，但如果不測量液體隨溫度的膨脹情況，就無法驗證這個假設——要進行這種測量，就又需要一個溫度計。

直到19世紀40年代，法國科學家亨利·維克托·勒尼奧（Henri Victor Regnault）用一個密封容器中干燥空氣的壓力大小來衡量溫度，完成了一系列精巧的實驗之后，一套可靠的、可重復的溫度讀數才真正確立起來。對于科學和工業，這可是莫大的恩賜，但當時人們仍無法揭示，這樣測量出來的溫度究竟代表了什么。

從早期用來測量溫度的這么多種標記方式當中，關于溫度的這種困惑就可見一斑。有些標記，比如攝氏度和華氏度，用水的不同性質來校準溫度，直到今天我們仍在使用。首先想到不依賴任何單一物質特性來定義一套絕對溫度標記的，是19世紀的英國物理學家威廉·湯姆森（William Thomson），也就是后來的開爾文男爵（Lord Kelvin， 絕對溫標的單位就以他的名字命名）。他給出的定義非常抽象，依賴于理想熱機的運作方式，而理想熱機則是由法國科學家尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾（Nicolas Leonard Sadi Carnot）設想出來。但同時，一個對絕對溫度更為有力的詮釋概念正在成型，而且最終獲得成功。

很難想象，曾幾何時，那些偉大的科學先驅都無法理解世界上所有物質都由原子構成。只有理解了這一點，溫度的本質才豁然開朗。熱是原子運動的動能，溫度是對原子運動速度的衡量——更準確地說，溫度衡量的是分子平均運動速度的平方。當我們在日常生活中感受到某個東西的溫度，學究一點的說法應該是，我們正在感覺物質的“躁動”。

一旦接受了物體中的分子在不斷抖動這個想法，就會得到一個有關絕對溫度的自然定義：它就是所有原子都完全靜止的那一點。接下來的問題就是，“這需要多低的溫度？”

線索來自那些行家里手。17世紀法國的一位樂器工匠紀堯姆·阿蒙東（Guillaume Amontons）注意到，當從沸點冷卻到冰點時，密封容器中的氣壓會下降“大約1/4”。由此外推的話，他推斷，如果繼續冷卻，氣體的壓力也許最終會在某個溫度之下完全消失——按照今天的標記，這個溫度大約在-300℃。后來，隨著對理想氣體壓力和溫度測量精度的日益提高，人們發現這個推測不算離譜。今天的絕對零度被定義為開爾文溫標下的溫度零點，大約相當于-273.15℃。

沒有結局的故事

追逐絕對零度的競賽，真正開始是在19世紀末。正如差不多同時上演的、瞄準地球寒極（南北兩極）的競賽一樣，這也是踏入未知的旅程。所不同的是，后者勝負已分，而對絕對零度的追尋將永無止期。

要理解其中緣由，不妨想象一下我們家中的冰箱如何運作。冰箱的內壁與比它更冷的物質接觸，后者通常是不斷循環的制冷劑。這樣一來，熱就不斷從冰箱內流入制冷劑，從而讓冰箱內的物體降溫。如果想靠這種方式將物體冷卻到絕對零度，制冷劑的溫度就必須比絕對零度還低，但這是不可能的——因為你無法讓分子運動得比完全不動還要慢。你能做到的極限，不過是讓它們盡可能接近靜止而已。

冰箱內的制冷劑通過膨脹來冷卻自身。在這個過程中，它的內部壓力降低，從而減慢分子平均運動速度。在這場競賽的最初階段，人們也曾以同樣的技術來獲得更低的溫度。一種又一種氣體在加壓的情況下被冷卻，然后讓它們快速膨脹。這會進一步降低氣體的溫度，甚至會發生凝聚，從氣態變成液態。

到了19世紀70年代末，法國人路易斯·保羅·卡耶泰（Louis-Paul Cailletet）用各種氣體相繼膨脹冷卻的方法在-183℃得到了液態氧，接著在-196℃得到了液態氮。他和當時的任何人可能都沒想到，在20世紀這兩種物質會變得多么普通。要是當時讓人們展望這些東西的用途，我敢打賭“消疣點痣”和“瞬間制冰”絕對不會上榜。

1898年，蘇格蘭人詹姆斯·杜瓦（James Dewar）在-250℃液化了氫氣，之后就只剩下氦氣還未被征服。氦的原子相互作用微弱，因而成為最難被凝聚的氣體。說服氦原子進入液體的無數巧思和努力最終得到了回報，1908年7月10日，荷蘭萊頓大學的海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）實現了4.2K的低溫，首次制得了幾立方厘米的液氦。

一個全新的世界

液氦打開了一扇通向全新物理世界的大門。就在獲得液氦后不久，昂內斯就發現，在非常低的溫度下，某些金屬會變成超導體。冷卻到某一臨界溫度之下，這些金屬的電阻會陡然下降15個數量級，幾乎與0無異。諾貝爾獎委員會沒有花太久就認識到了昂內斯工作的重要性，1913年授予了他諾貝爾物理學獎。雖然超導技術并未像人們期盼的那樣走進千家萬戶，但核磁共振成像儀的磁鐵里就有它，瑞士日內瓦郊外的大型強子對撞機巨大的電磁鐵中也有它的身影——正是借助超導的威力，才能產生強大的磁場，將質子束約束在那些環形軌道之中。

但最讓人驚嘆的低溫現象可能還不是超導，而是在首次液化氦氣那天，發生在昂內斯眼前的那一幕。透過密封隔離的玻璃容器上的小窗口，他窺見幾乎完全透明的液體在翻騰沸揚。把液面上的液氦蒸汽吸出容器，可以移除那些運動速度最快的氦分子，這樣可以進一步降低液氦的溫度，卻反而讓液氦的沸騰愈發劇烈起來。

但是接下來，當溫度降低到今天我們所說的2.17K時，翻滾的氣泡突然消失不見，液氦變得死一般寂靜。數十年之后，我們才理解到底發生了什么：部分液氦突然進入一個新的物態——超流態，一種可以完全無摩擦流動、完美導熱的狀態。不管液氦中的哪個區域部分受熱開始要形成氣泡，附近的超流液氦就會將這些熱帶走，將氣泡消滅于無形之中。

更為驚人的發現接踵而至。氦原子核通常包含2個質子和2個中子，因此最常見的氦原子是氦-4。比它罕見數千倍的，還有一種氦的同位素——氦-3，它只有1個中子。這些更輕一些的氦-3原子會在3.2K時凝聚，比氦-4的4.2K要低，而且液化之后的行為也完全不同。例如，氦-3的黏滯性非但沒有減弱，反而變得更強。

誰能想到，僅僅1個中子的差別就會讓液氦的性質發生截然相反的改變？我很想將這些現象稱之為非凡，但又難以張口，因為它們其實極度平凡。只不過我們肉眼凡胎，小瞧了平凡物質中的變化萬千。

這些貌似怪異的行為背后有一個普遍真理，那就是，我們生活在一個用量子力學描述的世界里。只有當低溫抑制了那些隨機熱運動之后，這一點才變得明顯。例如，我們看到氦原子之間的相互作用如此微弱，以至于量子力學允許它們不用挪來挪去就能互換位置。這使得液氦在我們能達到的最低溫度下，仍保持液態。實際上，計算表明，在標準大氣壓下，液氦甚至在絕對零度也仍然不會凍結。

了解量子現象正是促使人們不斷挑戰絕對零度的動機之一。氦-3和氦-4在液態下的不同性質，成為我們繼續下探的平臺。在一種名為超冷冰箱的儀器中，氦-4的超流態會讓液態氦-3表現得像氣體一樣，能夠在充滿氦-4的“真空”中汽化，同時將整個裝置繼續向下冷卻到0.001K，也就是1毫開爾文（mK）。在這個溫度下，氦-3自己也終于進入超流態，但是帶有磁性。

如果冷卻到0.001K算十分困難，那繼續向下冷卻則需百倍艱辛。所有物質的導熱率都隨著溫度下降而急劇降低，這意味著，想要從某處將熱量向外傳導需要更長時間。同時物質的比熱，也就是變化單位溫度所吸收或釋放的熱量，隨溫度降低而變得極其微小，以至于任何想要研究某個物體的實驗技巧，都會將該物體加熱。假設一只蝴蝶從10厘米高處飄落下來，停在一塊1厘米見方、溫度為0.001K的銅塊上，撞擊的能量就足以讓這個銅塊的溫度上升100倍。

好在，我們還有一些變通的方法，起碼對很少量的物質能夠奏效。對于只包含十億個左右原子的氣體團，我們可以采取逐個原子冷卻的方法。同時用幾束激光相對照射，利用激光光子與每個氣體原子碰撞來帶走它們的動量，從而讓這些氣體原子的運動遲緩下來。這里用到的方法，仍然是用一種物體帶走另一種物體的熱量，只不過現在我們使用的制冷劑變得更為復雜。利用這種激光冷卻方法，我們能讓原子的運動速度從1毫開爾文時的1米/秒，降低到1毫米/秒，對應溫度為1納開爾文（1 nK=10-9 K）。

這一奇思妙想的獎勵，就是讓我們有機會排除混亂的熱力學的干擾，探索物質在量子力學范圍內的行為。比如，我們知道超導本質上是一種量子現象，但花費了數十億美元之后，我們還是對某些臨界溫度在130K之上的超導體（所謂高溫超導體）的形成機制一無所知。通過制造出一些可控性更好的量子系統，我們就可以用一團超冷原子來模擬此類現象，用激光脈沖來探測和改變原子的相互作用。

我們還可以利用超冷物質周圍無可比擬的純量子環境，來模擬中子星內部的極端環境、基本粒子相互作用以及早期宇宙中的相變。在低溫下，電子通過相互作用產生元激發。這些元激發，有時又被稱為準粒子，質量可達自由電子的上千倍，剛好同能在自由空間與希格斯場發生相互作用的基本粒子質量相當。與此類似，超導體中也有準粒子激發。最近的研究發現，這些準粒子的行為類似于馬約拉納費米子——這是一種在理論上很早就得到預言的粒子，它的反粒子就是它本身。

盡管目前還看不到這些實驗有何直接應用，但是有上世紀科學發展的前車之鑒，我們最好還是聰明一點兒，不要妄下斷言。馬約拉納費米子是被寄希望未來能在量子計算機中處理量子比特的候選者之一，而量子計算機的計算能力足以在現有的通用計算機面前一騎絕塵。這類威力巨大的機器的實現，很可能就依賴于我們在低溫下對物質錯綜復雜性質的掌握。

昂內斯已經將我們帶到4.2K，100年過去了，我們還在絕對零度之上那最后一格倒騰，這看上去似乎很奇怪。但我們不應該只盯著最后一度，而是要看到1K和1mK之間、1mK和1?K之間、1?K和1nK之間那隔若天淵的1000倍的差別。

冷卻過程的每一個階段，都像是在降低一間屋子里的背景噪音，好讓我們更清楚地聆聽自然的沉吟。繼續冷卻下去，我們就得以在更精微的層次上刺探原子間的作用。即便到了1nK，下面仍然有巨大的冷卻空間，pK（picokelvin，皮開爾文，10-12K），fK（femtokelvin，飛開爾文，10-15K），直至無窮。此前曲折離奇的經驗提醒我們，接下來會發生什么，你不要猜。（來源：果殼網，2013-07-15）