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深度長文:絕對零度只有-273℃,為何高溫可以達到上億億攝氏度?

2024-02-04 16:10:15


我們人類啊,對於宇宙,其實就是在摸一隻極高極高的大象。

我們是從腳趾頭最下方摸起走的,定義我們摸的位置是0m,由於我們距離地面比較近,很容易推算出我們距離地面大約是-273.15m。

由於我們就像生活在大象上的螞蟻,永遠無法離開大象,所以我們也無法真正跨過-273.15m的距離,到達地面上去。

我們往上摸,通常只能摸到幾千米的位置,但是我們會甩石頭啊(粒子對撞機)。

我們甩石頭的最高位置,是甩到10^12(萬億)m的高度。但我們發現,大象還是太高了,實在沒有辦法,我們只能用自己有限的觀察,猜測這個大象最高的高度是1.4X10^32m。

如果這個高度是真的,那麼,大象的身高,是我們當前能甩石頭最高高度的10^20倍,也即一萬億億倍。

對於人類來說,這個大象實在是太高了。

所以說啊,我們覺得上方太高,或者下方太矮,僅僅是因為我們生活在大象的腳趾頭底下啊。

如果有一種生活在宇宙大爆炸初期的「太初生命」,他們活動的溫度是10^30K。

太初生命定義溫度為ζ,他們自然而然的會認為10^30K是0ζ,就像我們人類最初定義水三相點溫度是0℃一樣。

太初生命發現,當物質內部粒子熱運動增加時,ζ升高;當物質內部粒子熱運動減小時,ζ降低。

他們經過研究發現,宇宙的最高溫度僅僅只有100ζ,但最低溫度卻達到了負的百萬億億億ζ.

總的來說——

無論上限的普朗克溫度(T=1.4X10^32K),還是下限的絕對零度,其實人類都是不能真正達到的。

即便人類距離絕對零度如此之近,也是隻能無限接近而不能真正達到。

絕大部分物質的固液氣三種相態的溫度,都在數千度以下,高於數千度,就會等離子化。

而人類賴以生存的水,三相點溫度僅僅只有273.16K。

這就決定了,人類的認知,主要就侷限在這個溫度區間。

而這個溫度區間,相對於整個宇宙溫度10^32K的變化區間來說,實在是太過於“低溫”了。

任何空間必然存有能量和熱量,並不斷進行相互轉換,守恆且不消失。所以真正的絕對零度是不存在的,除非該空間自始即無任何能量熱量。在此一空間,所有物質完全沒有粒子振動,其總體積並且為零。

雖然絕對零度無法達到,但卻可以無限逼近,那麼逼近絕對零度會發生什麼呢?逼近絕對零度的量子最低點是如何的狀態呢?

有關物質接近絕對零度時的行為,可初步觀察熱德布洛伊波長。定義如下:

其中 h為普朗克常數、m為粒子的質量、 k為玻爾茲曼常數、T為絕對溫度。可見熱德布洛伊波長與絕對溫度的平方根成反比,因此當溫度很低的時候,粒子物質波的波長很長,粒子與粒子之間的物質波有很大的重疊,因此量子力學的效應就會變得很明顯。

愛因斯坦推測將玻色子冷卻到非常低的溫度後它們會“落入”(“凝聚”)到能量最低的可能量子態中,導致一種全新的相態,是為玻色–愛因斯坦凝聚(Bose–Einstein condensate)。

玻色–愛因斯坦凝聚是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度所呈現出的一種氣態的、超流性的物質狀態(物態)。

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埃裡克·康奈爾和卡爾·威曼使用氣態的銣原子在170 nK(1.7×10−7 K)的低溫下首次獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。在這種狀態下,幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態,形成一個宏觀的量子狀態。

所以,所有原子的量子態都束聚於一個單一的量子態的狀態被稱為玻色凝聚或玻色-愛因斯坦凝聚。故而,當達到絕對零度,粒子的物質波會達到無限長度,也就是波動性會消失,所有粒子的特性漸漸變成了一個整體,微觀的量子態變成了宏觀的量子態。

對於發生在絕對零度的相變現象,稱為量子相變,而玻色-愛因斯坦凝聚便是量子相變。

1938年,彼得·卡皮查、約翰·艾倫和冬·麥色納(Don Misener)發現氦-4在降溫到2.2 K時會成為一種叫做超流體的新的液體狀態。超流的氦有許多非常不尋常的特徵,比如它的黏度為零,其漩渦是量子化的,很快人們就認識到超液體的原因是玻色-愛因斯坦凝聚。

當量子液體溫度低於某臨界轉變溫度會變為超流體。

超流體是一種物質狀態,特點是完全缺乏黏性。如果將超流體放置於環狀的容器中,由於沒有摩擦力,它可以永無止盡地流動。它能以零阻力透過微管,甚至能從碗中向上“滴”出而逃逸。

利用玻色-愛因斯坦凝聚的超流體,可以製造液態光。一般來說凝聚的折射係數是非常小的,因為它的密度比平常的固體要小得多。但使用鐳射可以改變玻色-愛因斯坦凝聚的原子狀態,使它對一定的頻率的係數驟增。這樣光速在凝聚內的速度就會驟降,甚至降到數米每秒。

自轉的玻色-愛因斯坦凝聚可以作為黑洞的模型,入射的光不會逃離。凝聚也可以用來“凍結”光,這樣被“凍結”的光在凝聚分解時又會被釋放出來。

量子力學的粒子大致分成兩類,除了玻色子之外,還有費米子。逼近絕對零度,玻色子會凝聚在一起,而費米子是互相排斥的。

然而科學家發現了費米子的凝聚態。

費米凝聚(Fermionic condensate):類似於玻色-愛因斯坦凝聚態,由大量費米子佔據同一量子態形成。由於泡利不相容原理,不同的費米子不能佔據同一量子態,因此費米子不能像玻色子那樣直接形成玻色-愛因斯坦凝聚態。不過科學家把兩個費米子結合在一起成為具有玻色子性質的“費米子對”即庫柏對,這樣使費米子對冷凝,成為費米凝聚。

關於低溫記錄:

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

2003年09月12日,在實驗室內,用光子精準轟擊原子,讓原子動能接近零,達到了僅僅比絕對零度高0.5nk(0.5*10^-9K)的溫度。

布莫讓星雲是人類目前所知的宇宙之中能夠找到的最低溫度區域,零下272°。

至於高溫,雖然人類創造了數萬億K的高溫,但卻只有瞬間的事情,甚至連高溫下物質的狀態都無法研究。前面已經說了,人類達到的最高溫,僅僅只是最高溫度的萬億億分之一,差得太遠了。

這個差距,大約就是人類速度和光速的差距吧。

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