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科学探索

接近绝对零度时的物理现象

科学探索万象经验2024-03-18

温度是我们测量物质中粒子动能的方法。粒子振动越快,温度就越高;当粒子振动减慢时,温度就会下降。从逻辑上讲,一旦原子完全停止振动,那就是最冷的时刻,它的温度为绝对零度。但这是在经典力学的框架内进行的推论。

在20世纪初,物理学家发现这些理论不再足以描述和预测在最小尺度上发生的事情。他们转而深入到基本粒子和量子力学的世界,旨在描述物质和能量在最基本层面上是如何表现。量子物理学告诉我们,即使达到可能的最低温度,粒子仍将始终具有一些无法消除的动能。

这源自海森堡不确定性原理,该原理指出,永远无法完全确定任何给定粒子的动量和位置。 例如,如果尝试测量粒子的动量,那么就无法完全确定其位置。反过来,如果测量它的位置,那么就无法完全确定它的动量。因此,即使在最低能量状态下,粒子也总是会轻微振动。

物理学家一直在向低温挑战,他们已经成功地将物质冷却到只有38皮开尔文。挑战最低温度的想法可以追溯到1600年代,那时科学家们就已经掌握了计算绝对零温度的方法,他们也一直在尝试将材料冷却到尽可能接近这一点。

到1845 年,迈克尔·法拉第 (Michael Faraday) 成功冷却并找到了当时大多数已知气体液化的温度。例如,氯在-34°C时液化,在-101°C时冻结。利用当时可用的技术,法拉第设法达到-130°C的温度。

但这还不够冷,不足以液化氧气、氮气和氢气等气体。这些气体只有在高压和极低的温度下才会液化。氮气于1877年首次液化,温度为-195°C。氧气于1883 年液化,温度为-218°C。氢气于1898 年首次液化,温度为 -249°C。

荷兰物理学家海克·卡默林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)于1908 年第一个在仅4.15开尔文下成功液化氦气。通过降低液氦的压力,他将其进一步冷却至仅1.5 开尔文。这是当时地球上达到的最低温度,昂内斯也在这极低的温度下对某些材料进行了实验,并在此过程中发现了超导性 。这是一个重要的科学里程碑,昂内斯也因其工作而于1913年获得了诺贝尔奖。

超导性的巧妙之处在于,它是一种量子效应,只有在极低的温度下才会变得明显。在没有很大电阻的普通良导体中,携带电能的电子流动得很好,但它们仍然会因材料中的杂质和缺陷以及材料的振动而损失的能量。现在,如果你让某些材料足够冷,电子就会开始发生一些奇怪的事情。

它们开始以某种方式耦合在一起,使它们可以在材料中自由移动。因此它们不会相互碰撞,也不会分散, 所以材料就会变得超导。只有当材料中的颗粒振动不太大时,这才有可能实现,这就是为什么材料必须如此冷的原因。

通过超导线环的电流基本上可以在没有任何电源的情况下永远流动,因为它永远不会损失任何能量。现在,由于闭合电路会形成磁场,因此只要能保持足够冷,该磁场就会成为永久性的。超导磁体有很多应用,但最著名的可能是医院的MRI机器,它使用液氦来冷却超导线圈以产生强磁场,从而生成人体的高对比度图像。

对超导性的研究仍在进行中,事实证明某些材料在稍高的温度下也可以变得超导。使用液氮将材料冷却至仅 90 开尔文要实用得多,而且便宜得多。科学家们仍在寻找能够在更合理的温度下实现超导的材料。这项研究的目标是室温下的超导体,这将使它们比我们现在拥有的任何东西都更加节能。

超导体的另一个特性是它可以排斥任何外部磁场,因此可以让磁铁这样的外来磁场漂浮在超导材料上方,这在磁悬浮列车的构造中很有应用。

还有一种相关的量子效应也发生在接近绝对零的情况下,那就是超流动性。超流体似乎打破了我们所知的物理定律,如果您将其留在开放的容器中,它会慢慢地爬过边缘并泄漏,它还会从容器中微小的裂缝中渗透出来。如果你搅拌它,它基本上会永远保持旋转,只要你能保持材料足够冷。

这是因为超流体的粘度为零,无论您将其放在什么环境中,它都不会与任何其他材料发生摩擦,并且它与自身也不会发生摩擦。普通的液体,比如水,确实会爬上它所在的杯壁,但如果你不去管它,它与容器及其本身的摩擦使它能很好地保持在原处。

超流动性是一种非常特殊的现象,我们在液氦中发现了它。氦非常特别,因为它基本上永远不会冻结。在正常大气压下,将其冷却至4开尔文会使其液化。当我们继续降低温度直至接近绝对零度时,它都一直保持液态。从技术上讲,我们可以通过对氦施加很大的压力来使其凝固。

自然界中氦最常见的形式是氦 4,其核心由两个质子和两个中子组成,两个电子环绕核心。由于氦 4 的特殊性质,如果将其一直冷却到4 开尔文,所有氦 4 原子都会落入相同的低能状态,并且它们都会开始以相同的方式运行。它们不再相互碰撞,并且一致移动,如果您搅拌它,它就会永远旋转。这是完全令人惊奇的,因为这是一种我们只用眼睛就能看到的量子效应,即使它需要非常特定的环境。

还有另一种量子效应也与超流性和超导性密切相关,因此也需要极低的温度,那就是玻色-爱因斯坦凝聚。但首先,您还需要了解一些有关量子物理学的知识。

在经典力学中,我们喜欢将粒子想象成彼此相互作用的小球。但在量子物理学中,由于不确定性原理,不可能知道粒子的所有属性,它的真实位置永远无法百分百确定,因此最好的方法是将其想象为云或一个具有自己能量特性的概率波。

因此,如果我们将气体云中的原子冷却到纳开尔文,它们的能量开始接近最低点,这些小波包会变得更大,波长也会变得更长。在大约50纳开尔文时,这些波开始重叠并相互混合,并且它们开始表现得就像一个大原子一样。需要明确的是,它们并没有变成固体,只是所有这些原子都失去了各自的能量特性,它们凝聚成这个单一的集体量子波。

玻色-爱因斯坦凝聚实际上是一种不同于固体、液体、气体和等离子体的物质状态,但它可能只能在实验室中实现,因此非常脆弱。与极冷环境之外的任何物体的任何相互作用都会破坏它并将其变回正常气体。

玻色-爱因斯坦凝聚态是阿尔伯特·爱因斯坦在1920年代根据印度物理学家玻色的工作预测出来的。直到 1995 年,由物理学家埃里克·康奈尔 (Eric Cornell) 和卡尔·维曼 (Carl Wieman) 领导的一群科学家才创造出了这种奇特的物质状态。他们与德国物理学家沃尔夫冈·凯特尔 (Wolfgang Kettelre) 一起获得了 2001 年诺贝尔奖,后者在第一个玻色-爱因斯坦凝聚体制成后几个月也制造出了玻色-爱因斯坦凝聚体。对此的研究对于帮助我们更好地理解量子物理学很重要,它可能有助于发展纳米技术和量子技术,以及研究黑洞和中子星的性质和行为。


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