零下273.15度的绝对零度,究竟有多可怕?能冻住光吗?
你感受过的最低温度是多少?我国东北最冷的时候,气温能低到零下53度的样子。俄罗斯西伯利亚有一部分地区处于北极圈内,最冷的地方是零下73度,创造了北半球气温的历史新低。
那要是温度低到绝对零度——零下273.15度会发生什么事呢?
据说,这个温度连光都能冻住。
如此可怕的极寒,生命还能存活吗?
首先,我们得看看,自然界中温度究竟能低到什么程度,有没有绝对零度存在。
地球上的自然界肯定不存在绝对零度,南极大陆的最低温度是零下90度的样子,而北极最低温是零下70度的样子,跟西伯利亚差不多。而且现在存在着全球变暖的问题,气温逐年上升,恐怕南北极的最低温都改写了。
那么宇宙中有没有绝对零度的存在呢?
宇宙中的极端温度
因为有太阳的光照,地球目前是太阳系中最宜居的行星,虽然它不是离太阳最近的行星。
而有的行星虽然离太阳非常近,但温度却相当低,比如水星,最热时蹿到零上430度,最冷时跌落零下160度,是太阳系八大行星中温度最极端的星球。
不过,宇宙中自然还有比水星最低温时还冷的地方。
在离地球约5000光年的地方,有一团半人马座旋镖星云,它是由宇宙中老年恒星内部流出来的气体、尘埃膨胀形成的,是目前人类能探测的宇宙中最冷的地方,温度为零下272度,非常接近绝对零度。
当然,半人马座旋镖星云的温度也不可能达到绝对零度,毕竟所谓的绝对零度是热力学上的最低温,是理论下限,现实中几乎达不到,只能无限接近。
不过,要是有物体走到半人马座旋镖星云这里,原来的性质状态都会发生彻底改变。因为从理论上来讲,物体的温度是内部粒子运动表现出来的热量。
我们描述温度高低,会用热和冷来形容。摩擦生热的原理我们都知道,当我们感到物体发热时,表示它的粒子在高速运动,摩擦便增大;当它冷下来的时候,则表示它的粒子运动速度减缓了,这时摩擦也减小了。
如果自然界中存在绝对零度,那么,这个物体肯定完全停止运动了。
当我们摸到静止的石头时,会感觉到它的冰凉,但冷和热又是相对而言,北极的冰块肯定比低纬度地区的石头还冷。
静止也是相对而言,所以,我们看到石头没有动,是参照了我们自己或者其他高速运动的物体,实际上石头内部的粒子在运动,只是跟参照物比速度过低了。同理,水星跌到零下160度时也在围绕着太阳公转,而不是停止了。
绝对零度能冻住光吗
我们再来看看零下262度的半人马座旋镖星云,它也肯定在运动,因为宇宙中所有的天体都在转动,星云也会自转,宇宙星云因为运动碰撞、坍缩都不是罕见的事。
而且,有些星云是会发光的,比如发射星云会受附近的恒星激发而发光;反射星云靠反射附近恒星的光而发光;但气体尘埃星云由于附近没有发光的星体,它也是黑暗的。
半人马座旋镖星云恰好属于反射星云,相当于也能发光,所以,零下272度的低温并没有冻住光。当然,半人马座旋镖星云没有达到零下273.15度,只能做参考。
光速是在介质和真空中传播速度最大的物体运动速度,但物体的运动速度无论多快都是有限的,跟绝对零度的道理一样,只能无限接近光速,却永远达不到光速。
从物体运动速度与温度的关系可以得出,温度也没有上限。那有下限吗?也没有,因为就目前的研究来看,自然界中没有绝对静止的物体,粒子的动能没有绝对的限制,这就是温度达不到绝对零度,只能无限接近的原因。
但是在理论上来说,能达到绝对零度的时候,物体已经完全静止了,那么就可以冻住光。因为光也是能量,有能量产生就有运动。
曾经有过这么一个关于绝对零度的实验,就是制造超流体。超流体不是液体,但完全没有摩擦,垂直90度的角度它都能“流”上去。制造超流体的原料是氮气,氮气是世界上最难液化的物质,但在接近绝对零度时,它被液化了。
光属于玻色子,也可以液化成超流体,2017年,加拿大蒙特利尔理工学院和意大利CNR纳米技术研究所合作,将光液化成了超流体状态,称为液态光。所以,当温度达到绝对零度,光也能被冻住。
绝对零度如何制造
光被冻住的理论有了,那么绝对零度能被人为地制造出来吗?
的确有科学家制造出来了,据《自然·物理》杂志发表的一篇论文称,美国和日本的科学家合作,在实验室里把镱原子冷却到已经相当接近绝对零度了,大概是零下273.15度以上的十亿分之一度。
这个温度比宇宙中最冷的地方还要低,半人马座旋镖星云的温度跟它比都太热了。科学家使用激光,在实验室里限制了30万个原子在光学晶格里的运动,才造出了如此低温的环境。
但是把温度降到这个程度,已经不是纯粹的物理学了,而是更偏向量子力学。取得该成果后,研究团队又开始开发工具,想测量镱原子在如此接近绝对零度的环境中还会出现什么样的行为。
那么,宇宙中有没有可能也存在绝对零度的地方呢?
也许是有的,只是人类还没有发现。可能那个极寒的地方比绝对零度的温度还要低。那么,那个地方应该是由反物质构成的,因为反物质要吸收物质的能量,让双方达到能量抵消的状态。
在这个由反物质构成的空间里,时间应该也是停止的。因此,这个地方大概也会发生空间扭曲,甚至发生爆炸。
从宇宙爆炸论来说,宇宙的起源是初始的奇点从热到冷变化发生了爆炸,在爆炸之前,整个宇宙只有这么一个奇点,空间时间都不存在,爆炸了之后才产生了现在的宇宙。
那我们是不是可以理解为,奇点当时是冷却到了绝对零度然后爆炸的呢?要是奇点没有发生爆炸而是停留在了绝对零度的情况下,那就是永恒。
可惜,绝对零度是无法到达的,温度是极限值,光速也是极限值,目前没有任何证据证明有东西能斩断光或者停住光,有光就一定有能量,运动也不会停止。所以,绝对零度冻住光的说法只能在理论里存在。
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