连“光”都能冻住！-273.15度的“绝对零度”，到底是什么概念？

温度是什么？

听到这个问题，你可能会觉得，温度不就是一个东西有多冷多热吗？这么说当然没错。而且早在16世纪初，伽利略就已经发明了简单的测温仪，来测量温度。

但如果继续追问一步，我们测出来的温度到底反映了什么呢？

是不是不那么好回答了？其实，温度是组成物质的分子、原子或更小粒子们热运动的宏观表现。可以说，测出来的温度越高，粒子热运动越剧烈。

那接下来问题就来了，温度有没有上限和下限呢？

科学家从理论上推测，温度会有一个上限，叫做普朗克温度。不过，这个温度非常非常高，有1.4亿亿亿亿摄氏度。这个温度仅仅在宇宙诞生之初那一瞬间存在，在如今人类生活的宇宙中已经不可能抵达这个上限，所以在日常生活中，温度的上限已远超人类的想象。

那温度有没有下限呢？可以肯定地说，温度是有下限的。这是由温度的定义决定的。当一个物体内所有的粒子热运动都停止的时候，物体就达到了温度的下限。这个下限，叫绝对零度，绝对零度的温度等于0开尔文 （K），也就是-273.15摄氏度 （℃）。

这是什么概念呢？

根据吉尼斯世界纪录，地球上最冷的地方——位于南极洲，最低气温是零下89.12摄氏度。常用来制冷的液氮仅仅只有-196℃ ，也就是77 开尔文，就连最好的制冷剂液氦也一般就达到-269℃ ，这是4.2开尔文。

这个温度离绝对零度已经看起来只有毫厘之差。那么如果再努努力，能否达到绝对零度呢？

前面说过，当温度到达绝对零度时，分子、原子的热运动就会停止，如同彻底被冻结一般。但温度接近绝对零度时，我们所熟知的宏观物理规律并不再适用，另一种复杂的物理规律——量子力学将会占据主导。

宇宙中任何被观测过的粒子，无法同时准确知道它的动量和确切位置，这就是著名的海森堡测不准原理。

假设物质冷却到所有粒子都停止热运动的时候，就意味着每一个粒子的位置和动量都可以同时精确定出来，但在测不准原理的约束下这是不可能的。

退一步讲，即使真正到了绝对零度，并不意味着所有运动完全停止，因为粒子的量子涨落依旧存在，只是平均热运动为零而已。但是显然要做到这点几乎不可能，毕竟物质里面的微观粒子数目实在太多太多了，只要足够精确地测量（事实上做不到），平均值达到绝对的零简直毫无希望。

因此，绝对零度就是一个理论值，我们不可能实现，但可以尽可能的接近它。

那么，宇宙中最冷的地方在哪里呢？是在宇宙深空吗？

宇宙深空里确实很冷，但宇宙大爆炸137亿年后遗留的微波背景辐射充满着太空，太空的平均温度只有2.73开尔文。

科学家通过一些手段能实现比宇宙深处更低的温度。用He-3和He-4稀释制冷可以达到0.01 K以下，用绝热去磁技术可以达到0.001 K以下，而现代激光制冷技术可以把分子冷却到 0.000001 K，或者把原子冷却到 0.00000000045 K。，这已经非常非常接近绝对零度了。

科学家为什么要研究那么低的温度呢？其实，当物体温度非常低的时候，会发生许多神奇的事情。

绝大部分材料在常温下都存在电阻，但是有不少材料却在低温下电阻会变为0。零电阻意味着电流能量损失为零，超导材料做成的电缆可以大大减少传输电能过程中的能量损耗。

更厉害的是，低温下的超导材料还会出现完全抗磁性，几乎抵御一切外界磁场，即使磁场足够强的东西进入了材料内部，也能牢牢钉住磁通线。超导磁悬浮列车就是利用这个特性而发明的，它比常规磁悬浮列车更为高速且更加安全。

当然，在超低温下还会有许多意想不到的现象，比如超流体甚至超固体、电荷分数化等，这些量子效应的体现会非常明显。试想，如果我们驾驭了低温，可以随心所欲地操控量子，未来一定会大不同！

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作者：科学边角料 科普团队

审核：罗会仟 中科院物理所 研究员

（来源：科普中国-星空计划）