什麼是神的領域？那就是以我們人類目前的科技水平，永遠無法達到的領域，比如宇宙之外，比如光速旅行，比如創造意識，比如絕對零度。你能想像到的最冷的東西或地方是什麼？南極冬季的氣溫下降至-85ºC，在月球的黑暗面，它們達到-173ºC，常壓下的液態氮，溫度低至
－196℃。而在美國宇航局的國際空間站中，來自NASA的科學家們正在進行一項宇宙中最冷的實驗，這個實驗的目的，是要製造宇宙中最冷的東西，他們要使原子的溫度，降低到絕對零度！絕對零度是-273.15℃，這是宇宙中低溫的極限值，宇宙中沒有任何物質的溫度，可以低於絕對零度，這也是它被稱為絕對零度的原因。絕對零度對於我們人類目前的科技水平來說，是名副其實的神之領域！那絕對零度到底有什麼神奇之處呢，科學家們為什麼想要製造絕對零度，又如何製造呢？我們從頭說起。
從國際空間站的沖天爐內部拍攝的照片，顯示了諾斯羅普·格魯曼（以前稱為Orbital ATK）的天鵝座宇宙飛船於2018年5月24日抵達該站。該車載有美國宇航局的冷原子實驗室等。來源：NASA
要理解絕對零度的神奇，首先我們要知道，物質的溫度，是由物質的分子、原子等粒子的振動而產生的，粒子振動的動量越大，則物質的溫度越高。比如你摸到一塊兒鐵，感覺很燙，就說明它內部的鐵原子等粒子振動很劇烈，擁有很高的動量，這些粒子的動量，在我們宏觀上的感覺就是熱。反之，粒子振動越慢，動量越小，則物質溫度越低。而絕對零度，是物質的分子、原子等粒子完全停止振動，其動量為0時物質的溫度，以字母K（開）表示，處於絕對零度的物質我們說他的溫度為0開，或-273.15℃ 。讀過小編上一篇介紹量子基本知識的文章的朋友應該還記得，我們說過，在10^-8米數量級以下的世界，需要遵從量子力學的基本原理，既然絕對零度已經涉及到物質的分子原子等粒子，那麼它一定逃不出量子力學的制約。量子力學中有一條最基本的規則，“量子不確定性原理”，這條規則規定了一個量子世界必須遵守的最基本事實：
“粒子速度的不確定性”和“粒子位置的不確定性”的乘積一定不能小於普朗克常數h（h=6.62607015×10^-34焦耳·秒）。那麼，上文我們說過，倘若物質處於絕對零度，那意味著它所有粒子的一切運動停止，則此時物質粒子的運動速度為0，既上式中的“粒子速度的不確定性”為零，進而整個乘積為0，這顯然違反了“量子不確定性”這條量子力學的最基本原理，我們的科技即使再發達，也不能突破物理定律而存在。因此看起來，絕對零度對目前的人類科技水平來說，是神之領域，它只可在理論中存在，而在現實中，我們只能無限逼近於它，卻不能達到。 然而，隨著科學的不斷進步，科學家們通過大量實驗以及經過量子力學修正後的理論導出，在接近絕對零度的地方，分子的動能是趨於一個固定值的，也就是說絕對零度時，分子的能量其實也並不為零，而是具有一個很小的數值，這個極值被叫做零點能量。絕對零度時，物質的全部粒子都處於量子力學允許的最低能量狀態，既基態。因此，在絕對零度下，並不是我們以前認為的所有能量消失，而是仍然有能量存在，這個能量就是大名鼎鼎的真空零點能，既量子真空中的零點能量。量子真空是一個很有趣的概念，在量子真空中，沒有任何實物粒子的物質狀態。比如說有一塊鐵，常溫下它是實實在在存在的，但如果說我們在理想狀態下把它降到絕對零度，你就會看不見它了，因為維持原先鐵元素構成的粒子已經不再保持之前的震動，而是全部處於最低能量的基態。而零點能，則是在量子真空中由膠子，光子，玻色子等虛粒子，不斷產生的反粒子（反質子，反中子，反中微子等）的出現和湮滅而產生的。簡單一點說就是，物質溫度達到絕對零度時，將形成量子真空，在這種狀態下沒有任何實物粒子，只存在虛粒子和反粒子產生及湮滅的真空零點能。據推測，量子真空中，每立方厘米包含的能量密度有10^13焦耳。在談到宇宙起源時，根據大爆炸理論，我們的宇宙始於一個奇點大爆炸，那麼這個奇點又是從哪裡來的呢？有科學家推測產生宇宙大爆炸的奇點或許就來源於真空零點能。是量子真空中的“無中生有”。
物質在接近絕對零度時會有許多有趣的現象發生，在這樣的極低溫下，物質既不是液態，也不是固態，更不是氣態，比如有一種在自然界中，最難液化的惰性氣體，氦氣，在-268.9℃時，氦氣會變為超液態，原本裝在瓶子裡的液體，輕而易舉地從只有0.01毫米的縫隙中，溢到了瓶子外面，然後會像噴泉一樣噴出來，因為在這樣的極低溫下，氦原子之間的粘滯性消失了，他們看起來是液體，但實際卻是一大堆鬆散的粒子，就像一個擠滿了人的泳池，雖然看起來人擠人，但是人與人之間卻沒有粘性，是隨時可以互相分散開來的個體。在溫度繼續降低之後，有些物質會變為除液態、氣態、固態、等離子態之外的物質第五態：波色-愛因斯坦凝聚態。波色-愛因斯坦凝聚態要求物質的溫度需低於170*10^-9 開爾文，只比絕對零度高170納開。處於波色-愛因斯坦凝聚態的物質，它的所有原子，會突然凝聚成同一種狀態。這裡的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來不同狀態的原子突然“凝聚”到同一狀態。就像本來亂哄哄的一群人，突然全部“凝聚”到像閱兵儀式一樣整齊劃一的狀態。因此處於波色-愛因斯坦凝聚態的物質，它所有的原子活動就像一個單個粒子一樣，我們只要研究單個粒子就可以瞭解這種物質總的狀態。玻色-愛因斯坦凝聚態的物質還有一個非常有趣的特性。它們有非常高的光學密度差，因此科學家們可以用波色-愛因斯坦凝聚態的物質模擬黑洞，入射的光不會逃離，就像黑洞吸收光線一樣。所以我們看到科學家們製造和研究黑洞的故事，絕不只是發生在科幻電影裡，科學家們的確可以通過波色-愛因斯坦凝聚態，在實驗室中，模擬研究黑洞。我們雖然無法達到絕對零度，但是越接近它，我們就可以越接近了解絕對零度的真相。所以，科學家們不斷在實驗室中突破能製造的低溫極限，目前我們能製造的低溫已經達到了皮開級別，既10^-12開爾文級別，並且這個極限還一直在被突破。要製造這種極低溫，科學家們利用的技術主要是激光冷卻和蒸發冷卻。
封裝在保護層中的冷原子實驗室（CAL）裝載到諾斯羅普格魯曼公司（以前稱為Orbital ATK）的天鵝座飛船上，前往國際空間站。來源：NASA
在NASA國際空間站的冷原子實驗室中，科學家們主要也是通過激光冷卻和蒸發冷卻這兩項技術，來製造波色-愛因斯坦凝聚態的超冷原子雲的。地球上的實驗室也可以產生超冷原子，但是在地面上，重力會拉動冷卻的原子雲迅速下降，科學家們只有幾分之一秒的時間來觀察它們。雖然我們可以利用磁場來“捕獲”原子並保持它們靜止，但這限制了它們的自然運動。在太空的微重力環境中，冷原子雲漂浮的時間更長，科學家們可以更深入地瞭解它們的行為。製造冷原子雲的過程首先始於激光，通過激光發出的光子，以特定的角度和速度與原子發生碰撞，從而減慢原子的運動速度，達到降溫的目的。就像一個晃動中的單擺，假如我們使一個物體以合適的方向和速度與它碰撞，則這個單擺就會停下來。然後我們用無線電波移除這些原子雲中，溫度較高的部分，最後，我們把原子雲從磁阱中釋放出來，讓他們膨脹，膨脹會使原子雲中的壓力降低，進而溫度進一步下降。這些原子雲的溫度最終會被降低到皮開級別，既-273.149999999……攝氏度，無限接近於絕對零度。
冷原子實驗室（CAL）物理學家David Aveline在CAL試驗檯上工作，這是CAL設施的複製品，留在地球上。科學家使用試驗檯進行測試，瞭解CAL在國際空間站上運行時發生的情況。來源：NASA
科學家們還可以通過“切割”這些原子雲，將它們分成兩半，然後再讓它們合併，通過觀察兩組被切割的原子雲在合併過程中所表現出來的差異，探測引力波。我們知道，目前我們探測引力波的主要方式是激光干涉儀，激光干涉儀探測器的主要運作原理是測量引力波通過時對兩個相隔遙遠位置之間距離的影響。之前被炒得沸沸揚揚的所謂“外星人訊號”，就是使用激光干涉技術的LIGO探測器所探測到的雙黑洞合併引力波。而實驗結果表明，NASA太空站冷原子實驗室中所製造出來的，這些處於波色-愛因斯坦凝聚態的原子雲，可以提供一種全新的方法來檢測這些宇宙中形成的“引力波”。現在我們能看到的，宇宙最早的圖景是宇宙微波背景輻射，我們通過宇宙留下的這張最早的“照片”來了解宇宙的演化歷史，但從宇宙奇點爆炸的那一刻起，到第一個光子能夠從粒子中被釋放出來形成微波背景輻射為止，這段時間，宇宙是處於完全的黑暗之中，我們無法通過微波背景輻射來了解這段時間的歷史，這段時間內宇宙曾經發生過什麼，目前我們一無所知，而引力波的探測，則會幫助我們瞭解這一期間的真相，因為這段時間內宇宙雖沒有微波輻射，但是卻有引力，也就有引力波。因此對於超冷原子雲的這一發現有可能將在未來顛覆我們認識宇宙的方式。
宇宙雙黑洞合併示意圖
在宇宙中，目前我們發現的最冷的地方，是距地球5000光年外的‘回力棒星雲’，那裡的溫度低至零下272℃，僅比絕對零度高1.5℃，被稱為“宇宙冰盒子”。而目前我們的科技，已經遠遠超過了這個宇宙最低值，每當NASA太空站中的冷原子實驗室工作時，它就會成為整個宇宙中，最冷的地方。 是名副其實的宇宙中最酷（COOL冷）的實驗。
無限接近於絕對零度下粒子狀態的研究，對於量子物理學來說意義重大，隨著超冷研究的逐步深入，無論對於未來科技的應用，還是對於我們瞭解宇宙的歷史，都將產生深遠的影響。
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