絕對零度能將光也凍住嗎?若能,是凍成一根棍子還是一道波浪呢?

美國的「龍飛船」搭載著四名「游客」遠赴空間站準備開始旅游,這算是 商業航空時代的首創了,可見,以后 可能人人都有機會去太空中看看

搭乘龍飛船返回地球的4名宇航員

肯定有人想去宇宙中的「極地」觀光一下,體驗一下那里有多寒冷,那麼你知道宇宙中最冷的地方在哪里嗎?正是距離地球5000光年的旋鏢星云,那里的溫度大約為 零下272℃

這一數值已經非常接近絕對零度了。那麼,絕對零度是多少度?還有比它更低的溫度嗎? 現實世界中是否存在絕對零度?低溫世界中會出現哪些奇觀?

宇宙中最寒冷之地——旋鏢星云

既然絕對零度這麼強悍,那是否說明它能把光也凍住?如果能的話,是凍成一根棍子還是一道波浪?

絕對零度的百年探索

人類作為一種對于溫度感知非常敏感的生物,非常關注每天溫度的變化。當我們對溫度有了進一步的探索后卻發現了這樣一個驚人的事實,即宇宙中的高溫可以達到 幾億甚至能夠把這個「億」再加上次方,可是低溫就只能達到 零下273.15℃這種巨大的差異使得許多人很不解,接下來就詳細聊聊這到底是怎麼回事。

絕對零度大約在零下273.15℃

絕對零度的具體數值就是大約零下273.15℃,它是熱力學當中的最低溫度,也被稱為0K。當我們回顧絕對零度的探索歷史時就會發現,從19世紀開始就有許多的科學家在研究它,直到現在, 絕對零度依舊是研究領域中的「大熱門」

開爾文溫度和攝氏溫度對照示意圖

許多人看到這里可能會說,這都研究了幾百年了,總該有定論了吧?很遺憾,咱們在上文中提到的零下273.15℃只是科學家預估的一個數值,縱使經歷了這麼多年的研究,我們依舊 沒有達到真正的「絕對零度」,所做的一切只不過是為了不斷地接近它。

為什麼絕對零度的數值和宇宙高溫極限的數值差異如此巨大?我們有機會得到絕對零度嗎?

激烈運動的太陽

要解答這兩個問題還要從溫度本身來說起, 溫度與原子的運動息息相關。咱們常說「動若脫兔,靜若處子」,用這兩個詞來分別形容原子在不同溫度下的狀態再合適不過了。

粒子運動越快,溫度就越高

需要注意的是,這里「動」的程度是有很大空間的,而動得越快就會讓溫度變得越高。至于「靜」的下限就很低了,只能趨近于0也就是完全靜止,可是想讓原子完全靜止是不可能做到的事情。舉個例子,氣體的體積會隨著溫度的降低而縮小,那麼 當溫度到達絕對零度時,氣體體積就成0了

原子結構模型

所以根據溫度和原子之間的關系,就能得出 「絕對零度」只能存在于理論之中,現實中想要得到這個溫度是不可能的,當下所做的所有實驗都是為了逼近這個數值,畢竟這也是一種進步。

既然絕對零度這麼強悍,不論什麼東西在它這里都有被「凍結」的可能,那麼如果這時我們讓「光」申請出戰,會看到什麼樣的結果呢? 光是會被凍成一根棍子還是一道波浪?

「寒夜光柱」

它能凍住光嗎?

首先咱們需要明確一點,就是絕對零度目前來說是無法達到的,所以這個實驗只能是設想。從現實的層面來說的話, 絕對零度是凍不住光的,為什麼這麼說呢?

分子運動速率與溫度

因為在上文中咱們說了溫度的高低與其中原子的狀態有著密切的關系,所以絕對零度的原子按理來說是處在「絕對靜止」狀態的。這時如果有光介入,那麼光當中的原子就會打破這個靜止狀態,簡單來說, 光帶來了運動的原子,這些運動原子會打破靜止狀態,使其升溫,這時就不再是絕對零度了。

美麗的光暈

而當我們只是基于理論猜想的時候,倒是可以想象一下被譽為 「宇宙中跑得最快」的光,當被「定身」時會展現出怎樣的形態。如果讓大家來猜想,你是更支持光變成「棍子」形態還是變成「波浪」形態呢?

先來聊聊棍子形態的設想是怎麼來的吧,有這種認知主要是基于幾何光學,在中學物理課的時候,老師最常說的一句話就是 「光是以直線傳播的」。因此,許多人就覺得這樣射出來的光,如果被絕對零度凍住,那也一定會成為一根筆直的「棍子」。

光的傳播

那麼如果是波浪形態呢?這就是從光的「波動說」出發了,最早提出 光是粒子的牛頓用相關的實驗證明了自己的看法。可是后來惠更斯在和牛頓探討了之后,認為光應該是「波動」的,并且很快展開了新的實驗。

在光的「波動說」當中,認為光從本質上來說是一種 「機械波」,所以大家覺得光會變成一道波浪大抵就是認為這種說法更可信。值得一提的是,如果按照光波動的傳播理論來說,被凍住的可能不止是「一道波浪」而是 「幾道波浪」

金色粒子光線

此外,對于光到底是什麼,愛因斯坦對粒子和波這兩種頗有爭議的觀點進行了融合,提出 光具有波粒二象性。確實,其實在長達百年的爭論之中,這兩個觀點都不能完全證明對方是錯的,不如就「取其精華去其糟粕」然后再巧妙融合,就能得出一個正確的理論。

光其本質是一種處于特定頻段的光子流

以上,咱們探討了大眾對于光的不同認知是導致其「形態」發生變化的主要原因。當然,這一切都是在理論當中實現的,如果真想在現實中做這項實驗是沒有辦法的。第一是絕對零度無法達到,第二就是即使達到, 光的介入也會打破這一「極限」。這樣的話,實驗就沒有意義了。

光的色散

但這并不妨礙咱們大開腦洞,相信除了棍子和波浪以外,還有人想象到的是其他的形狀。實際上,科學家在探索絕對零度的時候,發現在「超低溫世界」當中真的存在了許多的奇觀,比如你 看不見的氣體,在低溫之下都會變成「神奇的流體」

超低溫世界下的奇觀

氣體算是存在于生活中,卻鮮少被人注意到的東西了。就像空氣,我們知道它必不可缺,可是卻描述不出它是什麼「模樣」,只知道它在我們身邊形影不離。

空氣會變成淺藍色的液體

可是當科學家進行絕對零度的實驗時就發現,超低溫能夠讓這些看不見的氣體紛紛「顯形」,頗有一種「照妖鏡」的意味。以咱們的空氣為例, 當溫度達到零下190多攝氏度時,空氣就會變成淺藍色的液體。更神奇的是,如果這時你折下一支鮮花放入液態空氣中,就能讓它變成一支「玻璃花」,質地變得嘎嘣脆。

「易碎」的花

當然,如果繼續降溫,氣體的形態就會再次變化。如果以氧氣為例, 在溫度接近絕對零度的時候,氧氣會變得像「顆粒」一樣,并且顏色也變成了 白色

這些氣體的變化,已經讓人感到非常神奇了。那麼,接下來咱們再來說說在超低溫環境下,千奇百變的金屬。

溫度計里面的水銀也將不會流動

溫度計里面的 水銀如果遇見了低溫,那麼它將不再流動,而是 變得異常堅硬。所以從這一點就能看出,如果你想用生活中常見的「水銀溫度計」去測試超低溫的溫度,那大概是不太行的。

低溫環境下,物品更易碎

而在現實世界中表現得非常強悍的 ,在低溫環境下卻變得脆弱。簡單來說,人們在現實世界中怎麼摔家中的不銹鋼器具都很難將其摔碎,頂多讓它的外形「凹凸不平」。但是如果是在超低溫的環境下,不銹鋼制品就和陶瓷碗一樣,甚至更夸張,不用摔, 輕輕一碰就變得「稀碎」

可見,人們對于絕對零度的探索過程中發現了不少神奇的事情,這也算是收獲了。并且隨著科技的進步,我們對于零下273.15℃這個數值也越來越近, 只要差距不斷在縮小,就證明研究是有意義的。期待未來科學家能在實驗過程中,進一步靠近「絕對零度」,帶我們一睹低溫世界的奇異景象!

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