摘要:零下几十度的大冬天,寒风刺骨,水面结冰。光看文字是不是已经能想象到冷了?但这在绝对零度面前连个小喽啰都算不上。绝对零度是宇宙中的最极限低温。在这个温度下,空气不再流通,分子停止运动,甚至连光都会被冻住无法传播。
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零下几十度的大冬天,寒风刺骨,水面结冰。光看文字是不是已经能想象到冷了?但这在绝对零度面前连个小喽啰都算不上。绝对零度是宇宙中的最极限低温。在这个温度下,空气不再流通,分子停止运动,甚至连光都会被冻住无法传播。
听起来像是科幻电影里的情节,可它却是现实中的科学概念,是自然界无法触及的,冰冷的极限。你有没有想过,这个冰冻一切的温度,会带来什么样的奇妙现象呢?如果真的能够触及绝对零度,除了冻结物质,是否还有更多让人匪夷所思的未知现象?
绝对零度的发现历程,是个漫长的过程。在古代,人类对温度的认识仅限于“热”和“冷”的简单概念。随着科学的进步,到了是18世纪和19世纪,物理学家们开始对“热”进行深入的研究。
当时的理论来说,热量是因为某种看不到的物质在流动才产生的。等到一位叫伦福德的学者提出了热力学的核心观念后,他发觉温度跟物质分子运动的速度有着紧密的联系。科学家们才明白,热不是物质,而是分子运动的一种表现形式。
热力学定律中有一个非常有名的零度定律,它简单地说明了,当两个物体与第三个物体处于热平衡时,它们的温度是相等的。这个概念帮科学家们建立了温度测量的标准,还为绝对零度的推导打下了基础。
在生活中我们常常听到一些温度高得吓人,几百几千度。那温度低究竟能低到什么程度呢?这个问题,长久以来一直困扰着科学家。
依据热力学原理温度不可能降至某个极限之下,因为一旦分子停止了运动,热量便再也无法散失出去,此时温度也就达到了极限。
绝对零度,就是这个理论极限。当时的科学家发现,绝对零度应当是-273.15°C。这一发现让科学家们激动不已。
实验验证是科学进步的关键一步。科学家们当然不会仅凭推算就能得出绝对零度的结论。
为了验证这个温度,研究人员通过一系列精密的实验,使用不同的方法测量气体、液体的温度变化,最终确认了这一理论。
最著名的实验之一是查理-凯尔文的工作,他通过研究气体的膨胀和压缩,发现温度下降到-273.15°C时,气体的体积趋近于零,证实了绝对零度的存在。
绝对零度的提出,意味着所有的分子运动都将完全停止,而物质也就不再拥有任何的动能。
从理论层面来看,这样的状态几乎是难以实现的,因为物质始终会存在一些极为微弱的量子波动,即便处于接近绝对零度的温度环境中,也永远无法抵达这一在理论上所描述的“死寂”状态
即便在现今的超低温实验里,也仅仅能够把温度降低至接近于绝对零度的程度,而不能够直接达成。
科学家还试着运用冷却技术,让原子几乎停止运动,不过绝对零度一直都只是理论上的一种极限罢了。
虽然实际中绝对零度没法完全达到,不过它仍然是物理学家研究和探素的重要部分之一。它给我们打开了一个跟常识完全不一样的“低温世界”。而这个世界,恰恰是我们理解宇亩、理解物质奥秘的关键之处。
现在我们已经知道了绝对零度是什么,那问题来了,这个温度到底有啥特别的?
实际上绝对零度远比你想象的还要奇妙。在正常温度下,物质总是处于不同的状态:固体液体气体。这些状态的变化,往往与温度和分子运动的程度密切相关。
当温度逐渐升高时,分子的运动加剧,物质从固体转变为液体再从液体转变为气体。而当温度降低时,分子的运动会越来越缓慢,物质就从气体变成液体再从液体变成固体。
如果温度一直降一直降到绝对零度时,分子的运动就会几乎完全停止,一切物质都将被冻结在一种“静止”的状态。
这个时候的空气就会变得“凝固”。在零下190多摄氏度时,空气就已经变成了一种浅蓝色的液体。而且完全不再流动!
在这么冷的环境下,我们连呼吸的空气都变了样。空气不再是无形无色的气体,而是像冰水一样,静静地积在地面上。
除了空气,就连金属都不能幸免。你是不是觉得金属像钢铁、铝合金等很坚硬的东西在常温下可是用来建造大楼、机器的,根本不怕冷。但在绝对零度的环境下,钢铁变得脆弱得像玻璃一样。
例如水银在低温下会变得像玻璃一样坚硬,无法流动。平常的钢铁材料,在低温环境下,会变得跟陶瓷差不多脆,稍微一碰就会碎掉。
是不是有点开始震惊了?坚硬的金属在这种低温下,竟然轻轻一碰就会碎成无数块。别急,还有更让你大跌眼镜的。
如果我说连光都会被冻住,你会不会有点不太敢相信。事实就是在绝对零度的世界里,连光都不能逃脱。
光大家都知道,它是宇宙间最快的东西。光的传播速度,能够达到每秒30万公里。不过在绝对零度的世界里,光或许就如同被按下了暂停键一般,再也无法继续传播。
试想一下,整个世界陷入一片黑暗之中,光线仿佛被凝固在了一个地方而静止不动,那会是怎样的一番场景呢?
为什么发生这样的现象呢?简单科普一下,光其实并不是“物质”,而是由光子组成的波动或粒子。
正常情况下,光子以极快的速度传播,但如果它进入了一个“完全静止”的状态——比如绝对零度的世界,光子会失去能量,从而无法继续前进。
如果是生命体在这样的环境中会怎样?。在绝对零度的世界中,生命几乎是不可能存在的。极端低温让任何细胞的活动都无法进行,连最微小的生物体也会彻底被冻结,无法维持生命活动。
几乎所有的生物体都会因为无法适应这种环境而瞬间“熄火”。绝对零度的世界,就是一个没有任何生命,没有声音,只有无尽的黑暗以及极度的寒冷。
虽然光是这些物理现象本身,已经能让人感觉到绝对零度的神秘和不好惹。但是科学家们通过实验和理论推测,绝对零度的奇妙之处还远不止这些。
科学家们发现,当物质降到接近绝对零度时,它会进入一种叫做“超流态”的奇妙状态。在这种状态下,物质会表现出一些反常的性质。比如流体可以在没有任何摩擦的情况下流动。
超导性就是在这种低温下被发现的——某些材料在绝对零度附近,电流几乎没有任何阻力,完全没有能量损失。
以医学中的磁共振成像(MRI)为例,MRI技术依赖强大的磁场来进行精准的成像。制造这些强磁场所需的磁铁,正是利用超导体的无电阻特性。
通过将材料冷却至超导状态,科学家能够制造出能够产生极强磁场的超导磁体,这些超导磁体使得整个设备更为高效和精确。
如果未来我们能够充分利用这种超导效应,未来的电力传输将会是几乎零损耗的,电力网可以更加高效,举个最简单的例子就是让我们的电动汽车充电速度提升,成本降低。
在绝对零度下,生命几乎不可能存在,但科学家们却通过研究低温对生命体的影响,获得了许多宝贵的进展。
某些极端环境下的微生物,比如极端嗜冷菌,能够在接近绝对零度的环境中生存,甚至在低温环境下繁殖。
或许未来科学家可以研究如何利用低温保护生物细胞,使它们在极端环境中存活更长时间,甚至有可能实现长时间的低温保存,对于器官移植、细胞修复以及衰老研究无疑是一条新的研究思路。
在极低温下,一切物质都会停止活动,那有没有“暂停生命”的可能性?比如通过低温冻结技术来“保存”生命状态。或许未来某一天,极低温的技术可以为那些濒临死亡的人提供“等待时间”,让他们在不损伤身体的情况下暂停生命活动,等待医学技术进一步发展。
虽然这个概念目前来看仍然显得有些科幻,但随着科技进步,谁知道这是否有可能变成现实呢?
而且在绝对零度下光都可以被冻结,这是否意味着,我们能够通过这种温度“冻结”时间本身呢?如果能实现“时间冻结”,我们是否能实现某种意义上的“永生”?
科学家们曾提出过,假如人体温度能够降到绝对零度,分子运动停止,所有的细胞活动会被暂停,这样就可以达到“极限不死”的状态。
绝对零度不单只是一个科学概念,它或许能成为未来物理学、化学乃至生物学的突破点。科学家针对这一极限温度展开的研究,未来极有可能会开启一扇通向新科技的门。
不过这一切都还需要时间。我们依然无法直接实现绝对零度,但通过实验室模拟,我们已经越来越接近这一“死角”温度的边界。科学家的努力会让我们离这个神秘世界越来越近。
信息来源:
科普中国-2023-11-05-传说中的“绝对零度”,到底是多少度?
来源:说宇宙一点号