你能冷到什么程度?

说到寒冷，即使是南极也比不上合适的物理实验室。克里斯·史密斯采访了剑桥卡文迪什实验室的奈杰尔·库珀，谈到了可能出现的最冷的温度……

奈杰尔-好的。要思考这个问题，首先要理解温度是什么意思。所以，对物理学家来说，温度是材料中热能的量度，这是由于它的所有成分的随机碰撞而产生的。所以如果我们有一个盒子里的原子气体它很大程度上是由动能携带的，粒子的运动和速度，所以当我们冷却它的时候动能消失了，原子运动变慢了。

我们从热力学定律中了解到，存在一个极限，至少在原则上，我们可以消除所有的热能，而系统刚好达到它的最低能量状态，这个状态我们称之为绝对零度。

Chris -如果我拿一个，根据你的类比和你指出的粒子在四处移动，相互碰撞，当我把温度计放在一杯茶里，热水分子会撞击温度计里的分子给它们能量这就是温度计记录温度的原因。所以如果我把温度计从茶里拿出来带到太空，因为没有分子来撞击它，它会怎么说?

奈杰尔-实际上，在太空中仍然有一些能量是宇宙大爆炸留下的微波背景辐射现在，在宇宙膨胀之后，已经冷却到绝对零度以上2度。

所以我们知道，那里会有辐射照射到温度计上辐射会使温度计的温度达到2度。现在你的温度计是否显示绝对零度以上2度是另一个问题，但原则上，那里是有温度的。

克里斯-我们怎么知道这个理论最小值与我们所说的绝对零度相吻合，那温度是多少?

奈杰尔:嗯，我们知道这个极限的存在是通过热力学定律的一致性和许多已经完成的测试。温度本身已经被确定为-273摄氏度，所以这当然是非常冷的，这就是为什么从物理学家的角度来看，我们通常想要用一个绝对温标我们从零开始，从这个绝对零度开始，然后往上数。所以水的冰点，0摄氏度是+270开尔文，绝对温标，室温大约是300开尔文。所以外太空的温度大约是室温的一百倍。

但是从现在可以完成的低温物理中，有不同的技术可以用来冷却到更低的温度。所以如果你拿一个用液氦工作的冰箱，你就可以把温度降到绝对零度以上的千分之一度，这比外太空要冷一千倍。或者如果你愿意用稀释的原子气体，那么过去二三十年发展起来的技术可以让你把系统冷却到绝对零度以上的十亿分之一度。

为什么不是绝对零度本身呢?难道没有办法把所有的能量都释放出来吗?为什么我们不能到达那里呢?

奈杰尔-嗯，有一个定理是19世纪由开尔文和其他研究它的人建立的，如果你有一个冰箱，冰箱的效率取决于绝对温标上两个温度的比。事实上，效率告诉你，你在制冷循环中做一定的功，你能抽出多少热量，当冰箱的冷面为零时，效率也为零。

克里斯-所以你离目标很近，但永远也到不了?

奈杰尔-你还没到那一步。

克里斯:当你非常非常接近的时候，你是否开始有了一些想法，如果你到达那里会发生什么?事物是否会以一种奇怪的方式运行，因为我会想，如果你有粒子，我们知道一切都是由原子组成的——他们说永远不要相信原子，因为它构成了一切——但如果你达到绝对零度，那么一切都会停止运动吗?

奈杰尔-不，因为量子力学定律起作用了，事实上它们在更高的温度下起作用了。所以其中的一些，取决于你所观察的气体或系统，当你冷却它粒子运动得越来越慢，然后我们从量子力学中理解粒子的波状性质开始变得越来越重要。粒子的波长随着速度的减慢而增加，所以当气体达到一定密度时，每个原子的量子波长会延伸到它的邻居。

在这一点上，系统被称为量子简并然后出现了一种全新的行为形式气体的行为方式与我们在室温下熟悉的完全无关，你会得到某些集体量子现象的出现，比如超导或玻色-爱因斯坦凝聚，某些集体现象在室温下完全不熟悉。

Chris -你能不能把它想成好像所有的东西都锁在一起然后你让所有的东西都像一个整体?所以不是一个原子在这里和那里撞到另一个原子，而是所有的东西同时都表现得像一个原子，因为这些波长都锁定在一起了?

奈杰尔-就是这样。取决于特定的相，所以在玻色-爱因斯坦凝聚中，你可以想象有一种情况，所有的原子都以相同的方式表现。在其他情况下，有更强的相互作用，你把所有的东西都锁在一起，但它可以形成某种集体流体，其中粒子以某种非常复杂的方式彼此跳舞。

它们不能完全静止，因为量子力学不允许它们完全停止，但是集体零度状态是很多粒子的集体状态，表现出有趣的远距离行为。