光的本质有多可怕
在对物理学有一定了解之前,人们认为,自然界当中,温度的高低都是“无穷的”。但实际上,这二者都不是无穷的,且温度的上限和下限差异非常大。
理论上的最高温度可以达到142兆开尔文,换算成摄氏度的话,14后面要跟好几个“亿”。
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而最低温度就没有这么恐怖了,只有零下273.15摄氏度,也就是绝对零度。
那么,为什么最低的温度只能达到这个数值?它能冻住光吗?今天我们就来看看它究竟有多可怕。
绝对零度是什么
对于绝对零度,大部分人应该是非常陌生的,毕竟地球自然环境下的最低温也基本在零下100℃上下。
这里说的绝对零度,其实是热力学当中的最低温度,可以表示为0K,如果将其单位换成摄氏度或者华氏度的话,就是零下273.15℃或者零下459.67℉。
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最先提出绝对零度的人就是威廉·汤姆逊·开尔文,但是他当时给出的关于绝对零度的定义十分抽象,所以这一概念是经过几代科学家的反复揣摩和研究,才变得逐渐清晰。
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自从绝对零度的概念被确定之后,关于它的实验角逐就开始了,无数科学家投身其中,希望能够第一个获得成功,这种实验直到现在都还在进行,可是从未有人获得成功。
人们能做的似乎就是尽力让温度接近绝对零度,而想要达到那个限值是不可能的。
如果我们用寒冷去理解绝对零度的话,它一定是一个非常恐怖的低温,而任何生物在这种温度之下都必死无疑,甚至说是瞬间就被冻结,这就是它的可怕之处。
那么这种低温能否将光也冻住?光在绝对零度的环境下会变成什么样呢?
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绝对零度能冻住光吗?
每个人对光的看法不一样,有人认为光是光波,这就代表它被冻住之后应该是波浪状的。也有人认为光应该就是平直的线,这样的话它被冻住后可能长得更像是一根棍子。
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需要注意的是,咱们前文中说了,科学家在这些年对绝对零度的实验和探索当中,始终都没有获得成功,并且从理论上来说,未来咱们也只能朝着绝对零度不断靠近。
所以在讨论绝对零度是否可以冻住光时,我们就设定一种绝对理想的状态,假定绝对零度能够在某个空间当中被实现。
那么这样来说的话,它能否冻住光呢?
很遗憾,是无法冻住的,因为当光进入绝对零度的领域之内,带有能量的光粒子就会开始能量传递。
在这种情况下,好不容易营造出来的绝对零度环境就被轻松破坏了。所以从这一方面来说,绝对零度和光之间似乎有某种矛盾性,当二者相遇之后,平衡势必会被打破。
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值得一提的是,说到这,大家可能不理解,为什么说绝对零度无法达到,我们的科技不是已经很发达了吗,竟然连数值这么小的一个温度都弄不出来。就算人类通过实验无法做到,或者这种温度在地球上不存在,难道浩瀚的宇宙当中就没有一个可以维持绝对零度的“极寒之地”了吗?
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绝对零度不可能达到的原因
科学家当然不会只将目光放在地球的探索上,他们也试图去寻找宇宙当中的极寒之地,功夫不负有心人,在1995年,智利的天文学家通过微米波望远镜找到了宇宙当中最冷的地方,也就是坐落在半人马星座,距离地球约5000光年的布莫让星云,它也叫回力棒星云。
这个星云的温度为零下272℃,从这一数值可以看出,它和绝对零度之间依旧相差1.15℃。
科学家认为,这里之所以会这么寒冷,是因为它是由恒星核心的气体构成的,这个核心气体在进入宇宙空间的时候不仅速度很快还发生了膨胀,最终使得内部温度不断下降。
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实际上,此前科学家在试图达到绝对零度的时候,也经常会使用让气体膨胀的方法,比如在十九世纪七十年代时,路易斯·保罗·卡耶泰就通过让气体膨胀,获得了零下183℃的低温。
而到了1908年时,荷兰莱顿大学的海克·卡末林·昂内斯在一次偶然的实验中,实现了4.2K的低温,并且获得了液态的氦。
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但是不论再怎么实验,绝对零度都无法达到,想知道为什么,我们必须先要明白物体温度的本质到底是什么。
一个物体当中原子运动的频率会使它的温度出现变化,如果运动得特别快,那么温度就会变高。原子可以特别的活跃,其运动速度的上限是非常高的,但是下限却十分有限。
原子的运动最多可以达到静止,永远不能出现“负”的情况,所以人们就将原子在静止时的温度定义成了绝对零度。这时有人可能会说,这样来看绝对零度不是可以达到吗?
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开始人们确实是这样认为的,可是在1890年的时候,德国的物理学家马克思·普朗克抛出了这样一个事实,即粒子的速度和位置都有不确定性,但是二者相乘之后的数字不能小于普朗克常数。
1912年能斯特在他的著作《热力学与比热》中,将这一“热学新理论”表述成:“不可能通过有限的循环, 使物体冷到绝对零度。”这就是绝对零度不可能达到的定律, 也就是热力学第三定律通常采用的表述方法。
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这就意味着如果粒子完全不动了,那么它的结果就与这个定律相悖,在这种情况下,人们终于意识到,不管人们再怎么努力,都达不到绝对零度。
可能有些人不了解普朗克常数,那么通俗点来解释就是,如果物理达到了绝对零度,其体积也会一并消失,在这种情况下,实验体都没了,又何来绝对零度呢?
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综上所述,人类对于绝对零度的追逐可能是永无止境的,因为我们永远得不到它,只能不断地减缓它的运动速度,让数值降得更低一些。
比如此前就有研究人员,通过激光冷却,制造出了史上最冷的反物质,其温度接近绝对零度。
资料显示加拿大国家粒子加速器中心的Makoto Fujiwara团队与合作者,在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究组织粒子物理实验室进行了一项名为ALPHA-2的反氢捕获实验。他们在一个磁阱中创造了由约1000个反氢原子组成的“云”。
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期待人类可以在这个不追逐绝对零度过程当中,不断地挑战绝对零度的极限,获得更高的成就。可能有人觉得,既然定律都证明了无法达到,我们就不必白费力气了,这是因为没有看到在这个探索过程中绝对零度为世界带来的“成果”。
绝对零度探索过程中的“果实”
咱们在上文中说了,自从科学家发现可以通过让气体膨胀来降温以后,就开始利用各种气体花式做实验,而昂内斯得到的液氦,就为科技的发展做出了卓越的贡献。
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原来,某些金属在低温环境下,就会变成超导体,在这时它们的电阻会骤然下降,最高能达到15个数量级左右。拥有了这种发现后,昂内斯自然就获得了1913年的诺贝尔奖。人类目前对于超导技术的研究虽然仍然有着重重壁垒,但是它已经在某些重要领域中发光发热了。
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除此之外,人们还在这一个过程中找到了超流体。所谓的超流体实际上就是内部没有完全粘滞,它常常被用于各种高精度仪器当中,比如陀螺仪。并且,在人们对超流体的不断研究中发现,如果咱们真的掌握了“钥匙”,那么量子计算机的研究将会被推到另一个高峰。
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总之,在低温的世界当中,那些不可见的气体,都会变成其他的形态,它们有着透亮的颜色,向我们诉说着这个世界的神奇之处。
因此,人类对于低温和绝对零度的探索是不能停歇的,有时候重要的或许已经不是结果了,而是我们在这个过程中的收获。
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