寒冷讓你發(fā)抖，逼你不得不找出長圍巾、戴上軟帽……可你是否真的知道它的秘密呢？寒冷是一個(gè)充滿奧秘的存在，它遵守某些奇怪的定律，擾亂它所接觸到的軀體，并且以降到極限溫度為樂……小心凍著！
-273.15℃沒有比這再冷的了！無論你用多少冰塊都沒法得到比這更低的溫度。這是絕對零度，寒冷的極致。為什么我們有時(shí)說"絕對零度"而不是-273.15℃？
它們是同一個(gè)意思。為了方便，物理學(xué)家使用的溫標(biāo)和我們不一樣。他們較喜歡使用以一位英國物理學(xué)家開爾文(Kelvin，1824～1907)命名的"開氏溫標(biāo)"。這個(gè)溫標(biāo)來源于可能出現(xiàn)的最低溫度。這就是為什么-273.15℃相當(dāng)于0開(我們不說"開爾文度")，而0℃相當(dāng)于273.15開。
是誰發(fā)明了絕對零度？
一個(gè)名叫紀(jì)堯姆·阿蒙東(Guillaume Amontons，1663～1705)的法國人第一個(gè)假設(shè)了極限溫度的存在。1703年，他發(fā)現(xiàn)降低密封瓶中一定體積的空氣的溫度，瓶中的氣壓也會隨之降低。他由此推斷溫度降得越低，氣壓也就會越小，直到為零。然而氣壓代表的是外部力量對一個(gè)表面的作用力，它不可能為負(fù)數(shù)。一旦降到零，它便無法再低，這時(shí)它所對應(yīng)的溫度也同樣降無可降。阿蒙東推算這個(gè)溫度為-240℃--不賴啊！
物質(zhì)在這個(gè)溫度下會出現(xiàn)什么變化？
在高于絕對零度的溫度下，組成物質(zhì)的原子充滿了活力。如果仔細(xì)觀察，我們會發(fā)現(xiàn)它們跳動(dòng)著，回旋著，鬧騰著，簡直和課間休息時(shí)的學(xué)生差不多?，F(xiàn)在，我們把溫度降到這鼎鼎大名的-273.15℃，看看會發(fā)生什么……上課鈴聲響了！原子們個(gè)個(gè)都靜了下來，振動(dòng)、躁動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)……都停止了。我們把這一狀態(tài)稱為它們的能量基態(tài)。
為什么溫度不能降得更低？
拿一個(gè)-273.15℃的冰塊作例子……或者不要"拿",就觀察一下好了。你還能把它再降個(gè)十幾攝氏度嗎……試試看……不行吧？別沮喪，即使是最優(yōu)秀的物理學(xué)家也無法做到這點(diǎn)。因?yàn)橐粋€(gè)物體要冷卻，必須以熱量的形式出讓一部分內(nèi)部能量。熱量實(shí)際上是兩個(gè)物體傳遞能量的"錢幣"。想知道熱量從哪里傳向哪里，只需要比較兩個(gè)物體的溫度。"喂，你！你比我更熱嗎？那么分點(diǎn)你的能量給我，直到我倆溫度相同。我接受熱量和信用卡付賬。"--這可能就是冰塊和一杯熱水之間的對話內(nèi)容。然而，一個(gè)溫度為-273.15℃的物體無法出讓熱量，它沒有足夠的內(nèi)部能量可供出讓，僅剩的那一點(diǎn)只夠維持它自身存在。它唯一能做的是接受熱量，也就是回暖！
現(xiàn)在的紀(jì)錄是多少？
0.000 000 000 1 開！這不是絕對零度，但已無比接近了……這是芬蘭赫爾辛基大學(xué)的研究人員在1999年運(yùn)用磁性非常強(qiáng)的磁體取得的。但老實(shí)說，被冷卻的只是銠原子核的一小部分。根本無法冷卻整個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品，比如說圍繞原子核做運(yùn)動(dòng)的電子就熱很多。而在巴黎高等師范學(xué)校的卡斯特勒-布羅塞爾(Kastler-Brossel)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，研究人員成功地用激光冷卻了幾十億個(gè)原子，不過他們所達(dá)到的最低溫度要比赫爾辛基團(tuán)隊(duì)高10倍左右……
而對于體積更大的物體，更不可能降到這樣的低溫。法國格勒諾布爾(Grenoble)超低溫研究中心實(shí)驗(yàn)室將25厘升氦降至0.0001開，保持著這方面的一項(xiàng)紀(jì)錄。該實(shí)驗(yàn)室使用的正是昨日的冰箱制冷技術(shù)。
這是宇宙的溫度嗎？
不！宇宙深處的溫度為2.7開，即-270.5℃。不過宇宙中自然也有些熱源，比如說恒星。為了理解這僅剩的一點(diǎn)溫度是從何而來，只需把宇宙想象成一大碗湯，一碗130多億年來一直在冷卻的湯。130多億年前發(fā)生的大爆炸是萬物的開端，時(shí)間與空間的起源。宇宙從比針頭還小的一點(diǎn)開始，不斷膨脹。而那時(shí)的溫度，比任何我們所能想象的溫度都要高。宇宙熾熱、滾燙。而從無極限的高到2.7開，可以說這碗湯真是冷透了！而且它仍然在降溫。唯一可以確定的是，宇宙溫度永遠(yuǎn)不會低于0開。
匪夷所思的寒流世界！
在極低的溫度下，物質(zhì)會丟棄它們原有的禮儀。氣體和金屬會變成超流體或超導(dǎo)體，并且表現(xiàn)得十分怪異……
多穿些衣服，我們將前往酷寒之地：約-270℃的深寒世界。在那里，我們和一種如清水般的液體有約，那就是氦。你或許比較熟悉它處于氣態(tài)時(shí)的樣子：就是這種比空氣還輕的氣體帶著氣球從千家萬戶的屋頂上飛過。但就像所有氣體在低溫下所表現(xiàn)出的那樣，它也會液化。在-269℃，氦會液化。而再降低1℃，它們就變得……瘋狂……如天外來客般……匪夷所思?？傊?，1937年，當(dāng)人們首次觀察到這種現(xiàn)象時(shí)，竟然找不到合適語匯來形容它。俄羅斯物理學(xué)家彼得·卡皮查(Piotr Kapisa)不得不為此發(fā)明一個(gè)新詞：超流體。
超流體？莫非它有超級力量？的確，它甚至還有好幾種超能力。但令人印象最深刻的，還是它"穿墻而過"的能力。這超能力是因摩擦消失而來。當(dāng)我們說某種液體很黏稠，是指它在物體表面很難流淌。比如說蜂蜜非常黏稠，水就不太黏稠；而超流態(tài)的氦是一丁點(diǎn)兒都不黏稠。所以它很容易流淌、散開。對它而言，所有的容器都是一個(gè)超級漏勺。想象一下：一條只有幾十億分之一米(相當(dāng)于一顆原子大小)寬的縫隙，氦原子們爭先恐后地從這條裂縫潛出。
也許你造出了一個(gè)具有完美密封性的容器？那最好把它蓋緊了。否則的話，液體會沿著容器內(nèi)壁攀緣而上，它們會連成一層薄膜，直到杯沿。然后它們安靜地沿外壁流下。只需幾分鐘，你的容器便空空如也。水也是，在杯子內(nèi)它總有往上攀緣的傾向。和液氦一樣，它被自然界一種名為"范德瓦耳斯力"的電磁相互作用所吸引。而且在超流體身上，只要沿容器內(nèi)壁蔓延的液體薄膜上端和下部出現(xiàn)細(xì)微的溫差，一種非常復(fù)雜的機(jī)制便能使液體開始向上攀緣，就好像高處有東西在吸一樣。超流體的黏度為零，因此沒有任何力量可以阻止它向上運(yùn)動(dòng)。黏度一般的水就做不來這一手，所以它只能安靜地待在你的杯中。
動(dòng)起來！交通流暢得很！
難以置信，不是嗎？但好戲還在后頭。因?yàn)槌黧w并不孤單，還有一種叫做"超導(dǎo)體"的，它倆從某種程度上而言就像是表兄弟。超導(dǎo)與超流類似，不過它不再發(fā)生在氦原子身上，而是發(fā)生在電子身上。在正常情況下，電子會不斷撞擊導(dǎo)體金屬的原子，本該用于前進(jìn)的能量結(jié)果變成熱能散逸掉。當(dāng)它們最后再也無力前進(jìn)時(shí)，電流也隨之消失了。但在極低的溫度下，一切都變了。降至臨界溫度以下后--每種金屬的臨界溫度都不一樣，水銀為7開，鈮為16開--電子就不再撞擊原子，它們就好像從一條堵塞的道路轉(zhuǎn)到了高速公路上，再沒有任何障礙。結(jié)論就是，一旦把電流注入超導(dǎo)金屬，這股電流可以幾年不斷……而且不需要發(fā)電機(jī)來維持！這真是天外之術(shù)，可以用它來解決多少問題??！
但超流體與超導(dǎo)體到底是從何處得到超級力量的？這還得到量子物理中去找。你可得打起精神看好了，這門學(xué)科可不是以容易著稱的！在極端的低溫下，氦原子或電子處于最低的能級上。這些小微粒聚集在一起--請想象它們一個(gè)貼一個(gè)緊緊靠在一起……并很快連接起來。因?yàn)樵诹孔游锢碇?，所有的微粒都可以被視為?-或者說帶點(diǎn)波形的短繩。當(dāng)溫度下降，這些波便平攤開來，并疊在相鄰的波上，就好像一條短繩搭住另一條短繩。最終所有的短繩都緊密連接在一起，變成一條長繩。這條長繩成了每一次運(yùn)動(dòng)的最小單位，而不再是幾十億短繩分開作用……這個(gè)變化改變了一切!
因此我們必須以另一種方式來看待物質(zhì)和那些微粒。小微粒們不再單獨(dú)存在，而是變成了一個(gè)集合：大家合并在一起，變成一條繩子。它們中的任何一員從此都無法脫離隊(duì)伍。單個(gè)微粒的概念這時(shí)已沒有意義了，它們不能脫離"繩子"而存在--黏度的喪鐘已經(jīng)敲響。
禁止碰撞
實(shí)際上，黏度是某些原子與其攀緣的容器內(nèi)壁進(jìn)行能量交換的表現(xiàn)。這些原子攀附在容器內(nèi)壁上，脫離了隊(duì)伍。而在深寒世界，絕對不會出這種事，原子們根本無法做到這點(diǎn)。
超導(dǎo)金屬中的電子也一樣，它們被禁止與原子碰撞，違者……"通報(bào)批評"。事實(shí)上，超導(dǎo)與超流是量子物理十分顯見的兩種表現(xiàn)形式。但我們通常看不到此類物理現(xiàn)象，因?yàn)槭芰孔釉碇涞脑?、微粒，它們的身圍都不超過一百億分之一米。因此，參觀深寒世界，同時(shí)也是發(fā)現(xiàn)無限微小的世界……怪不得現(xiàn)在離開時(shí)，我們會有點(diǎn)頭昏眼花、思緒不清……
破紀(jì)錄的寒冷
在繼續(xù)探究寒冷的奧秘之前，先來暖暖身子吧。你知道宇宙中有哪些最冷的地方嗎？
宇宙間最寒冷的地方
宇宙間最寒冷的地方并不在遙遠(yuǎn)的星河盡頭，而是在法國，具體地說是在位于格勒諾布爾的超低溫研究中心的實(shí)驗(yàn)室里。在那里，溫度可以低到0.0001開，相當(dāng)于-273.1499℃!呵呵，你先前肯定是想到一個(gè)更奇怪的地方去了吧！但實(shí)際上，宇宙空間的溫度大致在3開左右，所以宇宙中最冷的地方確實(shí)是在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室里。超低溫研究中心的研究人員與英國蘭開斯特大學(xué)的學(xué)者合作，用類似上圖中的儀器把1/4升氦降到了這個(gè)不可思議的溫度。這儀器其實(shí)也就是一個(gè)"冰箱"--雖然不完全像你家里的那個(gè)。鍍銀的蛇形管①和家用冰箱背后的那根黑色管道一樣，是一個(gè)熱交換器。在蛇形管內(nèi)流動(dòng)著冷卻氣體：氦3。而需要降溫的氦則在最下面的那個(gè)部件里②。這個(gè)部件可真小，也就能做做冰塊罷了……
太陽系內(nèi)最大的晝夜溫差
太陽系內(nèi)最大的晝夜溫差出現(xiàn)在離太陽最近的水星上。在那里，晝夜溫差將近600℃。水星至太陽的距離只是地日距離的一半。因?yàn)榭康媒?，所以曬得也厲害。白晝，?30℃高溫的炙烤。夜里，則是-180℃的低溫冷凍。這主要是因?yàn)樗菦]有大氣(而金星和地球有)來保存熱量。這巨大的溫差同時(shí)也由其漫長的白天和黑夜所決定：水星上一個(gè)白天的時(shí)間就相當(dāng)于地球上的88天！
太陽系內(nèi)最冷的天體
太陽系內(nèi)最冷的天體是厄里斯(Eris)星球。根據(jù)天文學(xué)家的觀測，那里的溫度為-250℃。這個(gè)直徑大約2400公里(地球直徑為12700公里)的矮行星是柯伊伯帶天體中的一員。它所處的軌道與太陽之間的距離是地日距離的38～98倍。厄里斯星從太陽吸收到的能量非常少，所以它的溫度才會如此之低。而柯伊伯帶中其他離太陽更遠(yuǎn)的天體，它們的溫度一準(zhǔn)更低。
地球上最寒冷的地方
地球上最寒冷的地方是南極洲的東方站(Vostok station)。1983年7月21日，科學(xué)家們在那里測到了-89.2℃的氣溫。應(yīng)該說東方站所在的這個(gè)地方絕對是個(gè)低溫王國。首先，這里是終年被冰雪覆蓋的南極，有半年的時(shí)間都是黑夜：低溫紀(jì)錄就是在陽光消失3個(gè)月之后才測到的。其次，東方站的海拔為3400米。如果你登過山，你就應(yīng)該知道，海拔越高，溫度越低。再者，東方站位于南極大陸腹地，完全不受海洋溫度的影響，因?yàn)楹Ｑ蟮臏囟忍幱?2℃～6℃，會使沿岸地區(qū)相對暖和一點(diǎn)。
從古到今最低的平均氣溫
地球誕生以來，全球平均氣溫最低曾降至-40℃，這與當(dāng)前宜人的15℃相差很遠(yuǎn)。干脆這樣說吧，那時(shí)的地球是一只大冰球。那是在75億年前，很有可能是由于大氣中二氧化碳減少引起。二氧化碳是一種能吸收并保存太陽熱量的溫室氣體。沒有它，溫度就會急速下降(而當(dāng)它太多時(shí)，溫度就會上升，這就是目前所發(fā)生的情況)。那么在那個(gè)時(shí)候，二氧化碳究竟去哪里了呢？海洋，是海洋從大氣中奪走了大量二氧化碳。
冷凍,為了復(fù)活?
他們死于疾病，安眠于-196℃的低溫環(huán)境中，期待有一天人們能把自己喚醒，并治愈他們的絕癥。然而經(jīng)過這樣一次冰凍之旅，他們能毫發(fā)無傷嗎？
來，凍一下，然后繼續(xù)活！在美國的一些機(jī)構(gòu)，如阿爾科生命延續(xù)基金會(Alcor Life Extension)或者是人體冷凍研究所(Cryonics Institute)看來，"尸體冷凍術(shù)"就是如此簡單。最近20多年，他們一直在向客戶提供此類服務(wù)：只要醫(yī)生一下死亡鑒定，他們就立刻把客戶的尸體存入-196℃的液氮中……這條"天國"之路冰冷刺骨，但值得一試，因?yàn)檫@里賣的是"來回票"。原來，這些機(jī)構(gòu)向客戶鄭重地解釋，說只要有一天，科學(xué)能夠治愈導(dǎo)致他們死亡的疾病，就會把他們救醒，讓他們擺脫病魔，重享人生。你認(rèn)為這是異想天開？可相信的人還不少呢。2007年，就有130多人選擇交付15萬美元，把液氮冷凍柜作為自己最后的居所。而且此后，他們每月還要支付500多美元的維護(hù)費(fèi)用。不過再次"叫醒"他們應(yīng)該是相當(dāng)艱難的。鑒于完好地冷凍一具軀體所面臨的各種困難，他們要等待的恐怕不僅僅是科學(xué)的進(jìn)步，而是科學(xué)的奇跡了！
搞不好變成碎肉醬！
確實(shí)，想把自己冷凍起來的人最終很有可能變成一坨碎肉！水是這一事件的罪魁禍?zhǔn)?。水分在人類肌體中的含量達(dá)65%。當(dāng)溫度降到0℃以下，我們細(xì)胞中的水就會變成冰。然而，同等質(zhì)量的冰比液態(tài)水的體積要大9%。如果你把一個(gè)裝滿水的瓶子放入冷凍柜，瓶子很快就會脹破，因?yàn)樗Y(jié)冰后體積膨脹了。被冷凍的細(xì)胞，其結(jié)局大致也同樣悲慘，邊角鋒利的晶體會像許多把小刀刺破細(xì)胞膜。如果冷凍的速度很慢，就將導(dǎo)致細(xì)胞液漏到細(xì)胞外，細(xì)胞慢慢枯死。
兔子撒尿就是勝利！
在冷凍中永生一時(shí)半會兒還辦不到，但這并不意味著研究人員對這一課題不感興趣。到目前為止，他們已經(jīng)可以冷凍精液、胚胎和皮膚……但最大一次成功是在2005年，誕生在美國人格雷戈里·梅伊(Gregory Mahy)的實(shí)驗(yàn)室里。他先取出兔子的一只腎，把它放到-130℃的低溫中保存；然后解凍，用它替換下兔子的另一只腎，而兔子竟然還能正常地小便！這也就是說，這個(gè)腎運(yùn)作良好！當(dāng)然，兔子的腎很小，只有20克重，不過這仍然是一個(gè)令人驚喜的結(jié)果，它的實(shí)現(xiàn)多虧了一項(xiàng)高速發(fā)展中的尖端技術(shù)--玻璃化冷凍。
將一個(gè)生命系統(tǒng)玻璃化，簡單地說就是讓其所有內(nèi)部分子都暫時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。這可以防止水分子結(jié)晶，使它們?nèi)韵褚簯B(tài)時(shí)那樣無序排列，但圍繞一個(gè)確定的平衡位置振動(dòng)。要達(dá)到這樣的狀態(tài)，就必須奪去每個(gè)水分子中的能量，使它們之間無法進(jìn)行相對位移，也就是說要將它們冷凍。但要注意的是，冷凍的速度必須非?？欤顾肿記]有時(shí)間結(jié)晶。最好的辦法莫過于給它們制造點(diǎn)障礙。
救命的酒精！
這個(gè)任務(wù)由冷凍保護(hù)液完成。其實(shí)這就是一些防凍劑(比如酒精家族的一些分子，如丙三醇)。水分子在結(jié)晶時(shí)，若有防凍劑分子混雜其中，結(jié)晶就會延緩……這正是研究人員所期望的。因?yàn)橐獙⒓儍羲ＡЩ?，每分鐘就必須降?00萬攝氏度，而摻入防凍劑，每分鐘降溫十幾度就能大功告成了。
基于這個(gè)成功經(jīng)驗(yàn)，我們可以想象人類在幾十年后就會擁有器官庫，使有需要的病人隨時(shí)都能享受器官移植。但這種方法并不適用于整個(gè)肌體的保存……除非把人體拆零。因?yàn)槲覀儾荒苡美鋬龈魏湍I的方式去冷凍大腦。每個(gè)器官的細(xì)胞都有其特殊性，對它們不能以同樣的速度進(jìn)行冷凍，也不能用同樣多的防凍劑。
有朝一日，我們一定會得益于低溫生物學(xué)的發(fā)展和器官庫的完善而能活得更久。但永生依然是個(gè)奢望。
