Hayke kamalin hones是荷蘭實體學家。早在1908年的時候,他與他的同僚在實驗室裡将氦冷凝成一種液體,首次實作了氦的液化,在研究中,hones他發現當溫度降至4.2K以下,也就是-269攝氏度的時候,汞的電阻會突然的消失,當初,他認為這是汞的奇特現象,後來他發現。鉛也有這種現象,他意識到,在低溫下,有些物質的熱運動會消失,電阻無線接近于0,他把這樣的現象稱作超導現象,那麼處于超導狀态的物體就是超導體。

溫度的本質
溫度無處不在,與人類的日常生活息息相關。然而,溫度的概念在過去很長一段時間内一直不明确。像伽利略和牛頓這樣的自然哲學家認為熱是一種“流動”,而其他人則認為“冷”是由“冷卻原子”引起的。同時,溫度的測量也很混亂。最早和最可靠的溫度計是根據液體的熱膨脹原理設計的。人們限制玻璃球或玻璃管中的液體,将兩個不動點(如沸點和冰點)固定,然後在它們之間放置一個刻度,以訓示液體表面的位置。這樣,所謂的“溫度”顯示在這兩點之間,當時稱為“熱”。18世紀上半葉,德國人丹尼爾·加布裡埃爾·沃倫海特(Daniel Gabriel warrenheit)和瑞典人安德斯·施爾修斯(Anders schylseuss)分别建立了華氏溫度和攝氏溫度。這兩種表示溫度的方法一直使用到現在。
然而,使用液體來測量溫度取決于物質的實體性質,這隻是對所謂的“冷”和“熱”的相對描述。19世紀中葉,英國實體學家威廉·湯姆森(William Thomson)試圖在不依賴任何單一材料性質的情況下定義溫度,是以他于1848年建立了熱力學溫度标度。這種溫标已成為現代科學的标準溫标,稱為絕對溫标。1892年,英國政府将湯姆森提升為開爾文勳爵,是以該标尺也稱為開爾文标尺,以K為機關。
但是溫度是多少?這個問題還沒有解決。隻有當人們明白物質是由原子組成的這一真理時,他們才能得到答案。現在我們知道所謂的熱實際上是原子運動産生的動能;所謂的溫度是原子速度的量度。換句話說呢,溫度其實就是物體内部原子的運動。當我們感覺到物體的“熱”時,它的原子移動得非常快;當我們感覺物體“冷”時,它的原子移動緩慢。有了這種了解,我們就不難了解“絕對零”是什麼樣的狀态:它是物體内部非常安靜的狀态。在這種狀态下,原子的運動完全停止。
那麼,下一個問題必須是:在“絕對零度”,也就是說,當物質完全靜止時,原子的溫度是多少?
永不可及的“絕對零度”
17世紀,法國人紀堯姆·阿蒙登發現,容器内密封的空氣壓力随着容器内空氣的溫度而降低。阿蒙頓觀察到,當空氣從沸點降至冰點時,容器内的壓力下降了約4/1。阿蒙登推測,如果空氣繼續冷卻,在某一時刻,壓力會完全消失。在這一點上,應該沒有辦法降低溫度,也就是說,它已經達到了“絕對零度”。根據阿蒙頓當時的計算,這個“絕對零度”大約是零下300度。現在看來,阿蒙頓的猜測并不是完全正确的。在今天,在絕對溫标上定義的“絕對零度”就相當于-273.15°C。
“絕對零度”的确立相當于在科學家面前設立一個“基準”。誰先接近它,誰就能赢得科學的稱号。到19世紀末,“絕對零度”的競賽正式開始。
然而,盡管通往“基準”的道路已在眼前,但很難完全實作“絕對零”。這是因為制造低溫的方法類似于冰箱的操作。冰箱内壁與循環制冷劑等較冷物質接觸後,熱量被帶到制冷劑,進而冷卻冰箱内部。如果你想帶走物體中的所有熱量并使其達到“絕對零度”,你必須使用比“絕對零度”更低的物質。這種材料中的原子是否可能移動得如此緩慢,甚至比“靜止”還要慢? “絕對零“意味着原子完全處于靜止狀态,氣體的體積應該是零,但這不會發生。然而呢,“絕對零度”這種狀态永遠無法達到,隻能無限接近它。
在冰箱中,制冷劑在膨脹的同時冷卻,随着壓力的下降,制冷劑内部分子的運動速度變慢。在“絕對零度”比賽中,人們一開始就采用了這種方法。那時,一種又一種氣體被壓縮,然後迅速膨脹。這一過程不僅降低了溫度,而且還将氣體冷凝成液體。在19世紀70年代末,法國人路易斯·保羅·卡葉(Louis Paul Cayette)用這種方法獲得了零下183°C的液氧和零下196°C的液氮。1898年,蘇格蘭人詹姆斯·杜瓦(James Dewar)獲得了零下250°C的液氫。在那之後,就隻剩下氦了。伊姆斯的原子連接配接松散,是最難以液化的氣體,但埃尼斯做到了。這是在文章的開頭描述的場景:他發現了超導現象。
但這并沒有結束。接下來發生的事更讓人吃驚。一般來說,氦原子核包含兩個中子和兩個質子,是以氦原子最常見的形式是氦-4。當溫度降到3.2K時,會有一個更輕的原子出現。它是氦-3,比氦-4薄1000倍。氦-3隻有一個中子。一旦液化,它“表現”完全不同于氦- 4。很難想象沒有中子的液氦的實體性質會有什麼不同。随着溫度繼續下降到2.17 k,氣泡表面的液态氦突然消失,液體變得異常平靜。這是怎麼呢一些液氦已經進入了一種全新的狀态:它是完全無粘性的,無摩擦的,它可以無限地流動,它可以很容易地通過微管,它可以通過連氣體都無法暢通無阻地通過的間隙。這是超流體。在這種狀态下,無論液體的哪一部分變熱或出現氣泡,它都會帶走熱量并阻止氣泡的形成,這就是為什麼液氦的表面變得如此平靜。
低溫世界裡的奇遇
上述奇怪現象是什麼意思?事實證明,我們生活在一個可以用量子力學來描述的世界裡,這隻有在低溫的世界裡才能清楚地感覺到。
量子現象的研究也是人們渴望達到絕對零度的一個重要原因。然而,保持接近絕對零度已經變得極其困難。即使稍有降溫,也會遇到難以想象的困難。例如,一枚1平方厘米的銅币的溫度為0.001K,一隻蝴蝶從僅10厘米的高度落在硬币上,蝴蝶“撞擊”硬币産生的熱量足以使硬币的溫度升高100倍。
這該怎麼辦?人們想到了使雷射中的光子與氣體中的原子發生碰撞的方法。碰撞會帶走一些原子的動能,使它們減速。本質上,它仍然依靠其他物質來散熱,但所用的“冷卻劑”卻大不相同。它變得更加微妙和神奇。
這些進步很快就得到了回報,給了人們一個難得的機會來探索由量子力學控制的物質的行為。例如,在低溫下,電子之間的互相作用産生的準粒子的品質可能是自由電子品質的數千倍。它們的“行為”與預測的粒子——馬約拉納費米ons非常相似,後者被認為在未來量子計算機的資料進行中發揮着重要作用。科學家們還可以利用一個受控的、純量子的過冷物質環境來模拟中子星内部的極端情況、基本粒子的互相作用以及宇宙誕生後的最早演化過程。随着我們對低溫世界的了解加深,這樣的奇迹将繼續發生,把我們帶到一個新的、奇妙的實體世界。
起初,宇宙的溫度在大爆炸後的瞬間驚人地高,達到了數十萬億開爾文。太陽的表面溫度是5800 K。當一顆恒星爆炸時,溫度可以達到60億K。超大品質恒星的爆炸和中子星的碰撞都非常熱。人們從對伽馬射線爆發的觀察中知道,這些過程産生的溫度可以高達1兆卡。然而,宇宙有着驚人的“兩面性”。在其他地方,經過137億年的冷卻後,天氣異常寒冷。現在呢科學家們知道宇宙微波背景輻射是2.7K,但2.7K并不是最冷的。博莫爾揚星雲距離地球約5000光年,非常寒冷,溫度隻有1K。你可能會認為宇宙中沒有更冷的地方,但除此之外,地球上還有更冷的地方,隐藏在人類低溫實驗室中,科學家們将那裡的低溫設定為僅比“絕對零度”高0.000000001 K,這個紀錄正在被打破。