深度科普：绝对零度只有零下273.15度，为何人类永远无法突破？
温度，这个我们日常生活中再熟悉不过的物理量，与我们的生活息息相关。清晨出门，一丝凉意袭来，我们会下意识地添衣保暖；午后，炽热的阳光让人不禁寻找阴凉之处躲避暑气 。但温度究竟是什么呢？仅仅是我们感知到的冷热吗？其实，这背后隐藏着更深层次的科学奥秘。
从宏观层面来看，温度被定义为衡量物体冷热程度的物理量。但这样的定义稍显抽象，未能深入揭示温度的本质，仅仅停留在对物体表面冷热感受的描述上。
当我们深入到微观世界，温度的奥秘逐渐清晰起来。
微观层面上，温度实际上是微观粒子（分子）运动剧烈程度的外在体现。微观粒子的运动状态直接决定了物体的温度。粒子运动得越剧烈，物体所表现出的温度就越高；反之，粒子运动相对缓慢，温度也就较低。就像一杯热水，其内部水分子运动活跃，不断地相互碰撞、穿梭，使得这杯水呈现出较高的温度；而一杯冷水，水分子的运动则相对 “安静”，温度也就较低。
在温度的世界里，有一个极其特殊的存在 —— 绝对零度。
绝对零度被定义为热力学温标（开尔文温标）的零点，其数值为 0K，换算成我们更为熟悉的摄氏温标，则是 - 273.15℃。这一温度代表着自然界中任意一个系统在平衡条件下所能趋近的最冷状态 ，是热力学理论中温度的下限值。
绝对零度数值的确定，并非一蹴而就，而是经历了漫长的科学探索与理论推导。对绝对零度的探索，是一部充满挑战与突破的科学史诗。
几个世纪以来，无数科学家投身其中，他们的研究从理论的大胆设想，到实验中的反复尝试，每一步都推动着我们对绝对零度的认知边界不断拓展。
随着理论的逐渐完善，科学家们开始在实验中向绝对零度发起挑战。
1845 年，英国科学家迈克尔・法拉第通过初级的压缩和冰浴实验，尝试将各种气体进行液化，实现了多种气体的液态形式，获得了现实存在的最低负 130 度的低温 ，为绝对零度的研究打开了新的大门。
进入 20 世纪，随着科技的飞速发展，科学家们在逼近绝对零度的道路上取得了更为显著的成果。2003 年，美国麻省理工学院的研究人员利用激光冷却技术，将钠原子的速度减缓，成功将其温度降低到了仅比绝对零度高十亿分之一度的水平，创下了当时的低温世界纪录 。
激光冷却技术的原理是利用六束激光从不同方向照射原子，使原子在与光子的相互作用中不断损失能量，从而达到冷却的目的。这就好比用无数个微小的 “乒乓球” 从四面八方去撞击热运动中的原子，使其逐渐 “冷静” 下来 。在国际空间站上，“冷原子实验室” 的实验更是将温度降至比空旷空间低 3000 万倍的惊人水平 。
在微重力环境下，研究人员能够更有效地控制原子的运动，减少外界干扰，从而实现更低的温度。他们将原子样本冷却到绝对零度以上的百万分之一度，并将其塑造成极薄的空心球体，为研究物质在极端低温下的量子特性提供了独特的实验条件 。
2020 年，德国不莱梅大学的专家们在实验室里创造了 “宇宙中最冷的地方” 之一，通过操纵原子云使其处于 “虚拟静止” 状态，在几秒钟内将温度降至 38 皮开尔文，即绝对零度以上 38 万亿分之一度 。这个温度太低了，目前还没有温度计可以直接检测，科学家们只能通过观察原子的运动状态和物质的波状行为来间接测量温度 。
在微观世界中，量子力学的不确定性原理犹如一道坚固的屏障，阻挡着绝对零度的实现。该原理由德国物理学家沃纳・海森堡于 1927 年提出 ，它指出微观粒子的位置和动量（或速度）不能同时被精确测定，它们的不确定性的乘积必须不小于一个常数，即 Δx・Δp≥h/4π（其中 Δx 是位置的不确定性，Δp 是动量的不确定性，h 是普朗克常数） 。这意味着，当我们试图精确确定粒子的位置时，其速度的不确定性就会增大；反之，若想精确知道粒子的速度，其位置就变得更加不确定。
从不确定性原理的角度来看，微观粒子永远无法完全静止。
因为如果粒子静止，其速度为零，那么位置就可以被精确确定，这将违背不确定性原理。即使在极低的温度下，微观粒子也会由于量子涨落而具有一定的能量和运动，始终存在着微小的振动和不确定性 。
这种量子涨落是量子力学中的一种基本现象，它使得微观粒子的能量和状态在瞬间会发生随机的变化 。就像在一个看似平静的湖面下，实际上存在着无数微小的涟漪，这些涟漪就是量子涨落的体现 。在接近绝对零度的环境中，虽然粒子的运动速度会变得极其缓慢，但它们依然会因为量子涨落而保持着微弱的运动，无法真正达到绝对静止的状态，从而使得绝对零度无法实现。
热力学第三定律从宏观角度为绝对零度的不可达性提供了坚实的理论依据。该定律最早由德国物理化学家瓦尔特・能斯特于 1906 年提出，经过后续科学家的完善，其常见表述为：不可能用有限的步骤使系统的温度达到绝对零度 。
我们可以从制冷的原理来理解这一定律对绝对零度的限制。在日常生活中，冰箱的制冷原理是利用制冷剂在循环过程中吸收热量，从而降低冰箱内部的温度 。制冷剂在蒸发器中蒸发，吸收周围的热量，然后在冷凝器中被压缩并释放热量 。
这一过程中，热量从低温物体（冰箱内部）传递到高温物体（冰箱外部），需要消耗电能等外部能量 。从本质上来说，制冷的过程就是通过某种手段将热量从一个物体转移到另一个物体，而这个过程依赖于存在温度差。
当我们试图将一个系统的温度降低到绝对零度时，问题就出现了。因为绝对零度是最低的温度，没有比它更低的温度存在。根据热力学第二定律，热量总是自发地从高温物体传递到低温物体，而不可能自发地从低温物体传递到高温物体 。
这意味着，要使一个系统的温度降低到绝对零度，就需要找到一个比绝对零度更低的温度源来吸收系统的热量，但这是不可能的 。即使我们使用最先进的制冷技术，每一次降低温度的操作都只能使系统的温度更接近绝对零度，但永远无法真正达到 。因为随着温度的不断降低，降低温度的难度会越来越大，所需的能量也会越来越多，在有限的资源和步骤下，绝对零度始终遥不可及 。
在浩瀚无垠的宇宙中，绝对零度虽然遥不可及，但却存在着一些温度极低、令人惊叹的天体和区域，它们仿佛是宇宙中的 “冰窖”，展现出极端低温下的奇妙景象。
宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸的余晖，均匀地分布于整个宇宙空间 ，其温度约为 2.725K（-270.425℃） ，这一温度成为了宇宙的 “背景温度”，也是宇宙中普遍存在的低温环境。它就像宇宙的一层 “冷幕”，覆盖着整个宇宙，见证着宇宙的演化历程 。
宇宙微波背景辐射的存在，为宇宙大爆炸理论提供了有力的证据 。科学家们通过对宇宙微波背景辐射的精确测量，发现其在不同方向上的温度差异极其微小，这表明宇宙在早期是高度均匀的 。这种均匀性也为后续恒星、星系等天体结构的形成奠定了基础 。
当温度逐渐逼近绝对零度，物质仿佛进入了一个全新的量子世界，展现出一系列令人惊叹的奇特性质，这些性质不仅挑战了我们对常规物质的认知，也为科学技术的发展开辟了崭新的道路。
超导现象是超低温世界中最具代表性的奇特性质之一。
1911 年，荷兰物理学家海克・卡末林・昂内斯在研究低温下汞的电阻时，意外发现当温度降至 4.2K（-268.9℃）时，汞的电阻突然消失，电流可以在其中无损耗地流动 。这种零电阻特性使得超导材料在电力传输、磁悬浮列车、核磁共振成像等领域展现出巨大的应用潜力 。
在电力传输方面，使用超导电缆可以大大降低输电过程中的能量损耗，提高能源利用效率 。据估算，如果全球的输电线路都采用超导电缆，每年可节省大量的能源 。磁悬浮列车利用超导材料的完全抗磁性，实现了列车与轨道之间的无接触运行，大大提高了列车的运行速度和稳定性 。日本的超导磁悬浮列车 L0 系，最高试验速度已经超过了 600 公里 / 小时 。
超流现象同样神奇。当液态氦被冷却到 2.17K 以下时，会进入超流态 。
在超流态下，液态氦的内摩擦系数变为零，能够毫无阻碍地流过极细的毛细管，甚至可以沿着容器壁向上爬升，仿佛违背了重力的作用 。这种奇特的流动特性在低温物理实验和精密仪器制造中有着重要的应用 。例如，利用超流氦的超流动性可以制造高精度的陀螺仪，用于导航和测量领域 。超流氦还可以作为量子溶剂，用于研究分子的结构和性质 。在超流氦滴光谱分析中，单个分子溶于超流介质之中，拥有有效的旋转自由度，如同在气态之中，这为研究气体分子提供了新的途径 。
玻色 - 爱因斯坦凝聚态是物质在超低温下的另一种奇妙状态。
1924 年，印度物理学家玻色和爱因斯坦从理论上预言了这种状态的存在 。直到 1995 年，美国科罗拉多大学 JILA 研究所的维曼和康奈尔首次成功观察到玻色 - 爱因斯坦凝聚态现象 。在这种状态下，大量具有整数自旋的玻色子会聚集到同一个量子态上，形成一个宏观量子物质波，表现出一系列非常规的物理特性 。
玻色 - 爱因斯坦凝聚态在精密测量、量子信息处理以及潜在的量子计算机等领域都有着重要的应用前景 。在精密测量方面，利用玻色 - 爱因斯坦凝聚态的相干性可以制造出超高精度的原子钟，其计时精度比传统原子钟提高了几个数量级 。
在量子信息处理领域，玻色 - 爱因斯坦凝聚态可以作为量子比特的候选材料，为实现量子计算提供了新的可能 。2024 年，美国和荷兰的物理学家携手将钠铯极性分子冷却至接近绝对零度，使 1000 多个分子凝聚成一个巨大的量子态，形成了分子 BEC，这进一步拓展了玻色 - 爱因斯坦凝聚态的研究范围 。
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