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2020年02月25日 星期二

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追寻绝对零度的奇幻旅程

  本报记者 刘霞 综合外电

  人类已经耗费了100多年的时间,试图达到绝对零度,尽管还没有到达目的地,但这段神奇的旅途已经为人类提供了很多绝美的“风景”,促使科学家们做出了很多重要的研究发现,其中最著名的当属大型强子对撞机(LHC)内使用的超导体;以及有望成为量子计算机的量子比特的马约拉纳费米子等。这或许是一段永无止境的追寻。

  据英国《新科学家》杂志网站6月25日报道,到达绝对零度是一个令人想来就会心生胆怯的目标,一百多年来,人们上下求索,但从未到达,不过,这绝非一场堂吉诃德般徒劳无功的探索,而是如少年派和孟加拉虎在海上漂流一样,是一场处处有惊喜的奇幻之旅,这段探索之旅催生了很多科学奇迹,是自然馈赠给人类的“意外之礼”。

  绝对零度:诺贝尔奖催化剂

  我们很小的时候,就开始与温度打交道。父母们总是会不厌其烦地确保孩子房间里温暖如春;洗澡水的温度“刚刚好”;而有些东西则“太烫了,不能碰”。

  随着我们慢慢长大,我们开始用数值来表示对温度的感觉。我们知道,水到了零度就会结成冰;气温20摄氏度左右,会让我们感觉凉爽宜人;人体处于37摄氏度时最舒服自在。随着我们对温度的认识不断强化和深入,在某个节点上,或许是在上学时,我们同另一个远离日常生活的温度——绝对零度狭路相逢。

  绝对零度就是开尔文温标定义的零点。0K约等于摄氏温标零下273.15度。绝对零度是冷的极致,是一种理想的无法达到的完美冰冷状态,就如瑞典著名儿童文学女作家、国际安徒生奖获得者阿斯特丽德·林格伦在其名著《米欧,我的米欧》中描述的浪漫且神秘的“遥远之国”一样,是一个人类会无限接近,但永远也无法到达的“美丽新世界”。

  但即便如此,自从这一概念于十九世纪中叶首次出现以来,很多人终其一生的努力目标就是离它更近一点。这看起来是一场堂吉诃德式(崇高但无实际意义)的追寻,但实际情况并非如此。

  今年是首个与绝对零度有关的诺贝尔物理学奖被授予100周年,自此,绝对零度就像诺贝尔奖的催化剂一样—科学家们在追寻绝对零度的过程中,做出的很多美丽的意外发现多次摘得诺贝尔奖的桂冠。例如,华裔物理学家朱棣文曾因发明了激光冷却和磁阱技术制冷法而与另两位科学家分享了1997年的诺贝尔物理学奖。2001年的诺贝尔物理学奖由因发现了“碱金属原子稀薄气体的玻色-爱因斯坦凝聚”这一新的物质状态的德国科学家沃尔夫冈·克特勒摘得等等,不一而足。

  在迈向绝对零度的过程中取得的每个进步,都展示出了一些别样的、独一无二的美丽和有序;催生出一批工程上的奇迹;强化了我们对一些基本科学概念的理解,尤其是对温度和物质概念本身的理解。

  绝对温度之下:万籁俱寂

  对温度的熟视无睹会使我们很容易忽略这一概念常常会给我们带来多大的惊喜。早期的自然哲学家,比如意大利物理学家、天文学家、哲学家、近代实验科学的先驱者伽利略·伽利雷,英国物理学家、数学家、天文学家艾萨克·牛顿,英国化学家罗伯特·波义耳将热看成是名为热质(caloric)的液体,这一说法的影响可谓十分深远——直到今天,我们仍然说热“流”。而另外一些哲学家则认为,冷是由一些“致冷原子”造成的。

  以前,人们希望能可靠地测量热和温度的诸多尝试大多以失败告终。早期最有用的温度计依靠液体受热会膨胀的原理来工作。少量液体被局限在一个玻璃灯泡或狭窄的玻璃管内,人们首先将两种固定情况下(比如暴露在沸水或正在融化的冰中),液面所在的位置标示出来,未知的温度(热度)则用这两个固定点之间某个刻度来表示。问题在于,这一测量方法会导致“第22条军规”的出现:温度计标示刻度的前提是,液体在不同的温度下,都以同样的方式膨胀,但如果不测量液体随温度的膨胀情况,就无法对这一假设的真伪进行验证,而要进行这种测量,就必须要有一支温度计。

  这种情况直到19世纪40年代才发生改变。法国化学家、物理学家亨利·维克托·勒尼奥进行了一个精巧的实验,他用一支温度计对一个密闭容器内干燥气体在压力下的变化进行了测量,从而建立了一套可靠的可重复性的温度读数。对于科学界和工业界来说,这不啻为一个福音,但是,这仍然没有真正解释清楚,我们究竟在测量什么。

  早期人们使用多种刻度来标注温度,关于温度的这种困惑由此可见一斑。有些标记直到今天我们仍然在使用,比如使用水的不同属性来校准温度的摄氏度和华氏度。

  摄氏度是目前使用比较广泛的一种温标,它由18世纪瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯提出。摄尔修斯把一个大气压下水的沸点定为零度,冰点定为一百度,其间分成一百等分,一等分为一度。但在使用中,人们感到很不方便,因此,摄尔维斯第二年把该温度表的刻度值颠倒过来使用。又隔两年,瑞典著名博物学家林耐也使用了这种把刻度颠倒过来的温度表。这种温度表仍然称为摄氏温标(又叫百分温标)。后人为了纪念安德斯·摄尔修斯,用他的名字第一个字母“C”来表示。

  华氏度是以其发明者德国人加布里埃尔·华伦海特的名字来命名的。1714年,华伦海特发现,液体金属水银比酒精更适宜制造温度计,因此,他以水银为测温介质,发明了玻璃水银温度计,并选取氯化铵和冰水混合物的温度为温度计的零度,人体温度为温度计的100度,他把水银温度计从0度到100度按水银的体积膨胀距离分成100份,每一份为1华氏度,记作“1℉”。

  历史的车轮行进到19世纪晚期,英国物理学家威廉·汤姆森,也就是后来的开尔文勋爵首先想到,我们或许可以使用一套不依赖任何物质属性的绝对温度标记来测量温度。开尔文勋爵建立的新温度标度称为绝对温标,它的量度单位称为开尔文(K)。这种标度的分度距离同摄氏温标的分度距离相同。它的零度即可能的最低温度相当于摄氏零下273度(精确数为-273.15℃),被称为绝对零度。

  但是,开尔文勋爵开出的这个“秘方”只适用于理想气体,因此,在热力学形成后,人们发现绝对温标有更深刻的物理意义,特别是开尔文论证了绝对零度不可达到后,科学家们便将绝对温标改称为热力学温度(温标),并用开尔文(Kelvin)第一个字母K为其单位。

  曾几何时,那些伟大的名垂青史的科学先驱们竟然不理解万事万物都由原子组成,这真让人难以想象,但这的确是事实。只有理解了万事万物都由原子组成这一点,温度的本质才水落石出。热是原子运动产生的动能,温度是对原子运动速度的衡量,更精确来说,温度测量的是分子平均运动速度的平方。在日常生活中,当我们感受到某个物质的温度时,就学院派的观点而言,我们正在感觉的是物质的“躁动”。

  一旦我们接受物体中的分子在不断抖动这一观念,绝对零度的定义也就呼之欲出:它就是让原子完全静止的温度。接下来的问题是:在什么温度下会发生这种情况呢?

  线索来自那些行家里手。17世纪,法国的一位乐器制造者纪尧姆·阿蒙东发现,将密封在瓶中的一定体积的空气温度降低,瓶中的气压也会随之降低。他由此推断温度降得越低,气压就会越小,最终会在某个温度下完全消失—我们现在认为,这一温度大约为零下300摄氏度。后来,随着人们对理想气体的温度和压力的测量日益精确,人们发现,这一数值并不算太离谱。现在,绝对零度被定义为开尔文温标下的零点,大约为-273.15摄氏度。

  追寻绝对零度:永不落幕的故事

  一旦我们厘清了绝对温度真正的含义,到达绝对零度的马拉松比赛的发令枪就真正打响了,那时是19世纪晚期。正如差不多同时上演的、前往地球上人烟罕至的南北两极的竞赛一样,这也是前往未知的旅程。所不同的是,后者胜负已分,而对绝对零度的追寻将永不落幕。

  为什么这么说呢?为了理解这一点,我们不妨想象一下冰箱的工作原理。冰箱的内壁会与更冷的物质(一般是一些不断循环的制冷剂)接触,这样,热量就不断从冰箱内流入制冷剂,从而给冰箱内的物体降温。同理,如果想要热从你想要让其达到绝对零度的物体那儿流出,那么,制冷剂的温度就必须低于绝对零度,但这是一项不可能完成的任务:你无法让分子运动得比静止还慢。你最多只能希望,它们尽可能接近静止而已。

  冰箱内的制冷剂通过膨胀来给冰箱降温,在这一过程中,冰箱内的压力会降低,因此,分子运动的平均速度会减少。最开始,人们也曾用同样的技术来获得更低的温度。科学家们让一种又一种气体在压力下冷却,然后再让它们快速膨胀,使气体的温度一次比一次低,科学家们甚至也会让气体凝聚,从气态变成液态。

  在这样日复一日气体温度不断降低的过程中,日历翻到了19世纪70年代末,法国人路易斯·保罗·卡耶泰用让气体不断膨胀的方法在零下183℃得到了液态氧,接着,在零下196℃得到了液态氮。但是,在他的时代,没有人会预想到这两种物质在20世纪会变得如此“遍地开花”。要是让当时的人们对这两种物质的用途进行预测,“消疣除痣”和“瞬间制冰淇淋”绝不可能榜上有名。

  随后,1898年,苏格兰人詹姆斯·杜瓦在零下250℃得到了液态氢之后,就只剩下氦气还未被征服了。氦原子之间的相互作用力非常微弱,这就使它成为最难被凝聚的气体。但不管怎样,让氦原子最终变成液体的无数努力和天才设想最终还是有了回报:1908年7月10日,荷兰莱顿大学的海克·卡末林·昂内斯实现了4.2K的低温,首次获得了几立方厘米液态氦。

  超低温下的美丽新世界

  液氦成为通向全新的物理世界的一把钥匙。就在获得液氦之后不久,昂内斯就发现,在极低的温度下,有些金属会变身为超导体。冷却到特定的临界温度之下,这些金属的电阻会陡然下降至少15个数量级,几乎与零无异。诺贝尔奖委员会没花多长时间就认识到了昂内斯工作的重要性,1913年,将诺贝尔奖授予了他。尽管超导技术迄今还没有像人们曾经希望的那样随处可见,但是,它已经出现在了核磁共振成像仪的磁铁里;位于瑞士日内瓦郊外的大型强子对撞机(LHC)中的功能超强的磁铁里也有它的“倩影”,正是借助这一磁铁的威力,科学家们才能将质子束约束在LHC的环形轨道中。

  然而,最让人惊叹的低温现象或许还不是超导,而是在液氦诞生的那天,发生在昂内斯眼前的那一幕。透过密封隔离的玻璃容器内的小缝隙,他窥见几乎完全透明的液体在翻滚。本来,将液面上的液氦蒸汽从容器中吸出,可以将运行速度最快的液氦分子移出容器,从而进一步给液氦降温,但实际情况却是液氦反而沸腾得更加剧烈了。

  但接下来,当温度降低到一定程度(我们现在知道是2.17K)时,翻滚的气泡突然停止了翻滚,液氦变得如死一般安静。数年之后,答案才揭晓。原来,部分液氦突然进入到了一个全新的状态:超流体,这是一种可以完全无阻碍地流动且能完美导热的状态。不管何时,只要部分液氦变得更热并开始形成气泡,超流体都会在气泡形成之前将热带走。

  超流体是超低温下具有奇特性质的理想流体,即流体内部完全没有粘滞。超流体和超导体都是超低温现象,但超流体所需的温度比超导还低。

  超流体其中一个重要的应用是稀释致冷机。超流氦-4也已成功用作化学领域光谱分析技术的量子溶剂。超流体亦用于高精度仪器,如陀螺仪;它还可以量度一些理论预测的引力效应。另外,2002年,德国科学家实现,铷原子气体超流体态与绝缘态可逆转换,科技界认为该成果将在量子计算机研究方面带来重大突破。

  而且,美国麻省理工学院的物理学家在剑桥发现一种新物质态:超流气体。这种物质是50nK(纳开,十亿分之一开尔文)的锂-6。此外,2004年,美国宾州州立大学的物理学家发现了超固体,当氦-4在高压冷冻到2K以下,超流体便相变成超固体。它亦可以零粘度流动。

  更令人惊异的发现接踵而至。氦原子通常包含有两个中子、两个质子,因此,最常见的氦原子一般为氦-4,然而,还有一种比氦-4罕见数千倍的同位素氦-3,其只有一个中子。这些更轻的氦-3中子会在3.2K而非4.2K凝结,而且,一旦被液化,两者的行为迥然不同,例如,氦-3的黏性不仅没有减弱,反而会变得更强。

  谁能想到,仅仅一个中子之差就会让一种液体的物理属性发生如此巨大的变化?但它们并非罕见的现象,而是在我们的生活中随处可见,只不过我们的肉眼凡胎,没有意识到普通物质本身是多么令人惊奇而已。

  “幕后黑手”:量子力学

  这些貌似怪异的行为背后存在着一个普遍的真理,那就是,我们所身处的世界是一个由量子力学所支配的世界。只有当低温让这些随机波动减少之后,这一点才水落石出。例如,我们看到,氦原子之间的相互作用如此微弱,导致量子机制让这些氦原子不用麻烦地四处“跳来跳去”就可以交换位置。这种量子交换使这两种氦能在能达到的最低温度下保持液态。实际上,计算表明,在标准大气压下,氦即使在绝对零度下也会保持液态。

  了解量子现象正是人们继续追寻绝对零度的理由之一。氦-3和氦-4在液态下的不同属性成为我们继续探索的垫脚石。在名为稀释制冷机的设备内,氦-4的超流态会让液态氦-3表现得像气体一样,有效地蒸发进氦-4组成的“真空”内,从而使整个装置的温度下降到0.001K,也就是1毫开尔文(mK)。在这一温度下,氦-3本身也变成了超流体,但其拥有磁性。

  如果冷却到0.001K算很困难,那么,继续朝下冷却则“难于上青天”。所有物质的导热率都会随着温度的下降而陡降,这意味着,温度越低,将热量从某种物质中移走需要更长的时间。与此同时,在低温下,所有物质的热容量(单位质量该物质吸收或放出热量引起温度升高或降低时,温度每升高1K所吸收的热量或每降低1K所放出的热量)会变得微乎其微,因此,任何用来研究物质的实验都需要将该物质加热。假如像一只蝴蝶那样轻的一个物体从10厘米高的地方落下,落在一块1平方厘米、温度为0.001K的铜上,撞击产生的能量足以让铜块的温度上升100倍。

  还好我们有一些变通的方法,至少对少量的物质能起作用。对于那些只包含数十亿个原子的气团,我们可以采用逐个冷却的办法。激光光子会同每个原子相互撞击,带走动能并让原子的速度慢慢降下来。这种方法的原理仍然是使用一种物体带走另一种物体的热量,只不过现在使用的制冷剂更复杂一些而已。使用这一方法,我们能将原子的运动速度从1毫开尔文时的1米/秒降低到1nK时的1毫米/秒。

  这一奇思妙想给我们的回报是,我们能排除混乱的热力学干扰,探究在量子力学的支配下物质的“一举一动”。我们知道,从本质上来说,超导是一种量子现象,但是,在花费了数十亿美元之后,我们仍然对某些超导体在130K以上温度下的行为一无所知。通过制造出一些可控性更好的量子系统,我们就可以使用一团超冷的原子气团,通过使用激光脉冲来探索和刺激原子之间的相互作用,来调查这种现象。

  我们还能用无与伦比的超冷物质的纯量子支配环境来模拟中子星内部的极端环境、基本粒子之间的相互作用以及宇宙诞生伊始的相变。在低温下,电子之间的相互作用会制造出元激发(有时候我们也将其称为准粒子),其质量可达自由电子质量的数千倍,刚好同在自由空间内通过与希格斯场相互作用从而获得质量的基本粒子的质量相当。同样的,超导体内的准粒子元激发最近被证明其行为类似于马约拉纳费米子。科学家们很早就预言了马约拉纳费米子的存在,其反粒子就是自己本身。

  此刻,我们还看不到这些实验获得的结果有何直接用途。但是,有了上个世纪的前车之鉴,我们最好还是不要妄下断言。

  据英国《自然》杂志网站2012年2月28日报道,荷兰代尔夫特理工大学的科学家李·考文霍夫在美国物理学会于当天举办的年度大会上发表演讲时表示,他们或许已制造出了神秘莫测的马约拉纳费米子,这一粒子有望在让传统计算机相形见绌的量子计算中用来形成稳定的比特。如果研究结果获得证实,那将是物理学领域的重大突破。强大的量子计算机的实现,或许有赖于我们对低温下物质复杂性质的掌握。

  尽管此前已有其他团队报告过马约拉纳费米子在固体物质中“现身”的间接证据,但哈佛大学的物理学家杰·叟听了考文霍夫的演讲后表示,这是一个直接的测量,叟说:“我认为这是迄今最富成效的实验,很难认为这不是马约拉纳费米子。不过,考文霍夫制造出的这些粒子是否足够‘长寿’用来做量子比特还有待进一步的研究。”

  如果最新研究结果经得起检验,将不仅率先制造出马约拉纳费米子,更是固体物理学领域的重大进步。人们认为,至今还没有被直接观测到的中性微子可能组成了宇宙中大多数甚至全部的暗物质,其可能是一种马约拉纳费米子。

  尽管昂内丝已经将我们带到了4.2k,但100年过去了,我们仍然在攻克绝对零度的最后一个堡垒,结果似乎有点差强人意。不过,我们不应该只盯着温度不放,而是应该看到1K和1毫k之间、1毫K和1微K之间、1微K和1纳K之间数千倍的差别会产生什么后果。

  其实,科学家们每次获得更低的温度,都像是在为自然界这所大房子消除噪音,让我们能更安静地聆听自然的低语。如果我们继续冷却下去,我们能在一个更加精微的新尺度上探索原子间的相互作用。即使到了1纳K,距离底部仍然有很大的空间,随后,我们会降到皮K(pK,10-12K),飞K(fK,10-15K),直至无穷。而此前曲折离奇的经验提醒我们,接下来会发生什么,无人知道。

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