关于冷与热,有一件事往往出乎人们意料:热是没有上限的。宇宙早期的温度曾经高达数以万亿度计,只要你能把足够多的能量压缩到足够小的体积里,温度几乎可以无限地往上走。
这是因为"热"是真实存在的东西,手里只要有热,就能一直往里堆。但"冷"并不一样。严格说来,冷并不是一种独立的实体,而是热的缺失。
当你开始把热从一个物体里拿走时,温度就会下降;一直拿、一直拿,总会出现一个节点——没有热可以再被拿走了。这个节点,就是物理学里的绝对零度。
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他追问:如果一个物体中所有的热都被移走,那种温度该叫做什么?答案很自然:零。于是他干脆建立起一套全新的温度标度,让"没有热"的那一点作为零点。
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要理解为什么存在这样一条温度下限,就得明白"热"到底是什么。
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热能的本质是粒子的振动,一块铁看上去安静地躺在桌上,但如果你深入到原子尺度去看,就会发现铁原子正在它所处的晶格里不停振动;温度越高,振动得越快。所以更严谨的说法是:温度,就是任何物质中那些振动粒子的平均动能。
还有一个微妙但重要的细节:在同一团物质里,粒子的振动速率并不整齐划一。有的快,有的慢,形成一条分布曲线——这是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦研究过的内容,所以这条分布被称为麦克斯韦分布。
随着温度升高,分布整体向更快的方向偏移。这也解释了,为什么把一锅水烧热时,有些水会从锅口蒸发出去,整锅却不会在一瞬间全部沸腾——只有在那个时刻恰好振动得最快的粒子才能摆脱液面;它们走了之后,剩下的里面又会有新的"最快者"冒出来,依次离开。
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和"温度"相关但又不同的概念,是"热能"。温度是粒子的平均动能,而热能是所有粒子携带的总能量。
举个例子,一杯早上的热咖啡,比整个海洋都要热得多;可海洋拥有的总热能却远远超过那杯咖啡,因为它粒子的数量实在太庞大。这两个概念常被人混为一谈,但在物理上它们是两回事。
那么,怎么让一样东西变冷?你需要在它旁边放一个比它更冷的东西,把热从它那里吸走。
冰箱就是这样工作的:食物被放进去,内部空气比食物更冷,于是食物的热被抽走,顺着管路跑到冰箱背后的盘管里散出去——所以冰箱背后总是温热的。顺着这个思路开玩笑,炉灶和冰箱的位置似乎可以对调:用冰箱排出的热在上面烤东西;当然,那点温度远不够做菜。
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实际的做法是利用气体的膨胀。让一团以某种速率振动的气体膨胀开来,粒子的振动就会减慢,气体温度随之下降;这个过程需要外部投入能量,但原理上行得通,日常的压缩机背后就是类似的物理。
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量子物理的一条基本原则是:你永远无法同时精确地知道一个物体的所有属性。推论之一是,没有什么东西是真正静止的。哪怕你抽走了全部可以抽走的热,粒子内部仍然保留着一种量子抖动,无法熄灭。
所以阻拦人类到达绝对零度的,不只是经典意义上的"永远需要一个更冷的东西",还有一条更底层的量子封锁线。
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接下来,低温世界会亮出它真正奇特的一面。量子物理告诉我们,光既是波又是粒子——波粒二象性;而薛定谔进一步指出,粒子也能表现为波。
更关键的是,当你让一个粒子慢下来时,与它相伴的那段"物质波"的波长会变长。
设想一个由许多粒子组成的系统,你开始让它们慢下来,每个粒子对应的波都在拉长;到了某个临界点,所有的波居然对齐了,整团物质开始像一个相干的整体那样行动。
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这个比喻只能描述视觉上的类似,物理机制并不一样,但它多少能让人感到那种"从个体到整体"的奇妙转变。
低温带来的新奇事还不止一种。把某些流体冷到足够低,粘度会降为零,摩擦力消失,变成所谓的超流体——你可以把手直接伸进那样的液体中,液体会在你手前"分开"又在身后合拢,让你毫无阻力地穿过去。
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超流体同样是在液氦接近绝对零度时被观察到的,它甚至可以沿着容器壁爬出敞口的杯子——这些都是量子效应把触角伸进宏观世界的证据。
温度低一点,不就是冷一点吗?可一旦真的做下去,就会发现物质在那种条件下的行为彻底不同,不同的物质还各有各的脾气。这是物理学里一片令人意外的新大陆,没人原本会料到那些奇观会静静躺在极寒的角落里,等人去揭开。
能享受这种待遇的科学家并不多,另一个熟悉的例子是牛顿——力的国际单位就是以他的名字命名的。
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原子振动、电子跃迁、化学反应,这些让"事情发生"的过程都会近乎停摆,于是用来标记时间流逝的事件也近乎消失。
然而宇宙的规则并不允许任何东西真的到达这条底线——经典物理在你面前竖着一道"永远需要更冷"的墙,量子物理又在更深处设下零点振动的禁区。
人类所能做的,是无限趋近,并在这趋近的路上,一次又一次被低温世界打开的新窗口震惊。
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