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最低溫絕對零度為零下273.15度,為何最高溫可以高達上億億度?

2024-09-27科學

對於我們人類來說,探索宇宙無異於盲人摸象。

我們從最底層摸起,稱這個位置為0米。由於我們距離地面較近,易於計算,我們所在的高度大約是-273.15米。

由於我們像寄居於大象體表的螞蟻,無法脫離大象的束縛,因此我們永遠無法逾越-273.15米的門檻,抵達地面。

我們向上攀爬,通常只能到達數千米的高度,但我們還有石頭可以投擲(相當於粒子對撞機的作用)。

我們將石頭拋至10的12次方米的高空。然而我們意識到,大象實在過於高大,我們力不從心,只能依賴有限的觀察去猜測大象的頂端可能高達1.4X10的32次方米。

如果這個高度屬實,那麽大象的身高將是我們能夠觸及的石頭拋擲高度的10的20次方倍,也就是一億億倍。

對於我們來說,大象的高度是如此不可思議。

所以,我們所認為的高或低,僅僅是因為我們生活在大象的腳下。

倘若存在一種「太初生命」,在宇宙大爆炸初期活動,其活動的溫度為10的30次方K。

這些太初生命將溫度定義為零度,他們自然會認為10的30次方K相當於0度,正如我們將水的三相點溫度定為0℃一樣。

太初生命發現,物質內部粒子運動加劇時,溫度上升;粒子運動減緩時,溫度降低。

他們研究發現,宇宙的高溫極限僅為100度,而低溫極限則達到負的百萬億億度。

無論是上限的普朗克溫度(T=1.4X10的32次方K)還是下限的絕對零度,人類都無法真正觸及。

即使人類距離絕對零度非常接近,也只能是無限接近,而無法真正到達。

大多數物質的固液氣三相溫度都在數千度以下,超過這個溫度便會轉變為等離子體狀態。

而我們賴以生存的水,其三相點溫度僅為273.16K。

這便限定了我們的認知範圍,主要局限於這個溫度區間。

而這一區間,與整個宇宙溫度變化範圍10的32次方K相比,無疑是極度「寒冷」的。

空間總是充斥著能量與熱量,它們不斷互相轉換,保持守恒,永不消散。因此,真正的絕對零度是不存在的,除非從一開始就沒有任何能量和熱量存在於空間中。在這樣的空間裏,所有物質的粒子振動停止,整體體積縮減至零。

雖然絕對零度不可觸及,但可以無限接近。那麽,在逼近絕對零度的過程中,會發生什麽呢?逼近絕對零度時的量子狀態是怎樣的呢?

在極低溫度下,粒子的物質波長變得非常長,粒子間的物質波重疊度很高,量子效應變得尤為顯著。

愛因斯坦曾推測,將玻色子冷卻到極低溫度時,它們會「沈降」至能量最低的量子態,從而形成一種全新的物質相態,即玻色-愛因斯坦凝聚。

玻色-愛因斯坦凝聚,指的是玻色子原子在接近絕對零度的冷卻過程中,展現出的一種特殊的氣態超流性物質狀態。

1995年,麻省理工學院的沃夫岡·凱特利與科羅拉多大學鮑爾德分校的艾歷·康奈爾和卡爾·威曼,透過使用氣態銣原子在超低溫環境下,首次實作了玻色-愛因斯坦凝聚。在此狀態下,幾乎所有原子都聚集至能量最低的量子態,形成了一個宏觀的量子狀態。

因此,當所有原子都集中於同一個量子態,這種狀態就被稱為玻色凝聚或玻色-愛因斯坦凝聚。在這種情況下,達到絕對零度時,粒子的物質波達到無窮大,波動性消失,所有粒子的特性逐漸融合成為一個整體,微觀量子態轉化為宏觀量子態。

在絕對零度發生的相變被稱為量子相變,而玻色-愛因斯坦凝聚就是一種量子相變的表現。

1938年,彼得·卡皮查、約翰·艾倫和冬·麥色納發現,當氦-4冷卻至2.2 K時,會轉變為一種新的流體狀態,稱為超流體。超流體氦展現出許多不尋常的特性,如零黏度、量子化的漩渦等。很快人們便認識到,超流體的成因是玻色-愛因斯坦凝聚。

當量子液體的溫度低於某個臨界轉變溫度時,會變為超流體。

超流體是一種特殊的物質狀態,其顯著特性是完全缺乏黏性。如果將超流體置於環狀容器中,由於無摩擦力,它可以持續流動。它可以透過極細微的管道毫無阻力地流動,甚至能以一種近乎奇跡的方式從碗中向上「滴」出。

利用玻色-愛因斯坦凝聚的超流體,可以制造出液態光。一般來說,凝聚的折射系數極小,因其密度遠低於普通固體。但利用激光可改變玻色-愛因斯坦凝聚原子的狀態,增加對特定頻率的折射率,從而導致光速在凝聚中的速度驟減,甚至降至數米每秒。

旋轉的玻色-愛因斯坦凝聚體可作為黑洞的模型,進入其中的光無法逃逸。凝聚體也可以「凍結」光,被凍結的光在凝聚體解體時釋放出來。

在量子力學中,粒子主要分為兩類:玻色子和費米子。在逼近絕對零度的過程中,玻色子會凝聚,而費米子則相互排斥。

然而,科學家們已發現費米子也可以形成凝聚態。

費米凝聚:與玻色-愛因斯坦凝聚態類似,費米凝聚由大量費米子占據同一量子態形成。由於包立不相容原理,費米子不能共享同一量子態,因此不能直接形成玻色-愛因斯坦凝聚態。科學家將兩個費米子結合為一個具有玻色子性質的「費米子對」,即庫柏對,從而實作費米子對的冷凝,形成費米凝聚。

至於低溫紀錄:

1926年,達到了0.71K,1933年,0.27K,1957年,0.00002K。

2003年9月12日,實驗室透過精確的光子撞擊原子,使原子動能趨近於零,達到了僅比絕對零度高出0.5nk(0.5*10^-9K)的溫度。

布莫讓星雲是迄今為止人類所知的宇宙中最冷的區域,溫度低至零下272°。

至於高溫,雖然人類已創造出數萬億K的高溫,但這僅是一瞬間的事,甚至無法研究高溫下的物質狀態。正如之前所述,人類所能達到的最高溫度,僅是理論最高溫度的萬億億分之一,差距遙遠。

這種差距,可能類似於人類速度與光速之間的差距。