绝对零度意味着什么？

温度往往是相对的——空气低于冰点，她的发烧高于正常水平。但科学家们正在探索所谓的绝对温度谱的极端：在上限，绝对热是一个理论上的熔炉，物理定律在那里会融化。另一方面，绝对零度——冷到无法再冷，只能往上走——几乎就在科学家的掌握之中。

要理解它，你首先需要一些物理学101。构成物质的原子总是在运动。温度测量的是这些原子的动能，即运动的能量。它们运动得越快，温度就越高。然而，绝对零度几乎是完全静止的。

据我们所知，宇宙中——或实验室中——没有任何东西曾达到绝对零度。即使是太空也有2.7开尔文的背景温度。但我们现在有了一个精确的数字：华氏-459.67度，或摄氏-273.15度，两者都等于0开尔文。

不同材料能达到的最低温度各不相同，理论表明我们永远无法达到绝对零度。但凭借一套新的工具和技术，科学家们正一步步接近这个最低点。

为何重要：超流体和其他材料的发现

• 玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）：1995年，科罗拉多大学博尔德分校的物理学家观察到了BEC，这是物质的第五种状态，仅存在于接近绝对零度的微小范围内。在如此低的温度下，单个原子重叠得如此之多，以至于它们坍缩成一个单一的量子态，在那里它们作为一个整体协同作用。BEC的发现开启了一个新的科学领域，物理学家可以在其中探测量子行为。

• 量子计算：常规计算机使用位（1和0）来进行计算，而量子计算机使用量子比特。理论上，这些机器可以比当今的计算机更快地解决问题。但要发挥作用，它们的原子或分子必须被冷却到接近绝对零度零点几百度，这个区域的量子特性不会因为热量产生的电噪声而丢失。

• 材料的奇异性：当氦变得很冷时，它会变得很奇怪：它可以在狭窄的管道中无摩擦地流动，长时间维持电流，并且会向上或越过容器的侧壁流动。科学家们将这种现象——以及像BEC这样的某些超冷气体——描述为超流体。近年来，他们提出超流体可能存在于中子星中，这些中子星是超新星的致密残骸，质量不足以形成黑洞。超流体也导致了超固体的发现，它们具有奇特的能自身流动的性质。这些材料让科学家们能够探索自然的根本奥秘。

宇宙中最冷的地方

尽管月球黑暗面和冥王星阴影笼罩的陨石坑温度骤降，但与天鹅绒星云相比，这些地方看起来还是温暖的。距离约5000光年的天鹅绒星云，其温度仅比绝对零度高1开尔文。

如何抵达：让激光为你指路

为了逼近绝对零度，科学家们在精密的实验中使用了真空和激光来冷却气体原子。真空可以在不将气体凝结成液体或固体（通常会发生这种情况）的情况下冷却气体，但其原子仍然在运动。这时激光就派上用场了。

当一个原子吸收激光发出的光粒子（光子）时，它会发出另一个光子。当物理学家以恰当的方式调谐激光时，一个沿一个方向运动的原子会吸收一个光子，然后向另一个方向发出一个能量更高的光子。原子将因此逐个光子地减速。通过让原子处于多个激光的交汇点，研究人员可以从各个方向减小其动量。这项技术最早在20世纪70年代使用，被称为激光冷却。

但还有更低的方法。一种称为蒸发冷却的技术可以分离出气体中能量最高的原子——就像汤通过散发蒸汽作为热量来冷却一样。通过以新的方式结合激光和蒸发冷却，科学家们已将气体冷却到比0开尔文高约50万亿分之一的温度。虽然不是零，但已经很接近了。

冲向最低点

1926年：化学家首次描述了一种称为绝热退磁的方法，该方法使用磁场将材料冷却到1开尔文以下。1933年，科学家们使用该方法将一种盐冷却到0.25开尔文。这个温度很低，但不如激光冷却的极限。

1978年：激光冷却首次被演示，将材料冷却到40开尔文；10年后，物理学家利用激光冷却实现了4000万分之一开尔文的温度。

1997年：三位物理学家因发明激光冷却而获得诺贝尔奖。

2015年：斯坦福大学的研究人员将由铷（一种用于制造太阳能电池的软金属）制成的气体冷却到绝对零度以上50万亿分之一的温度，创下了新的纪录。

2017年：美国国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家将一种铝膜冷却到0.00036开尔文，低于理论预测的该材料可能达到的最低温度。该实验提出了一种观察量子效应的方法，例如一个物体同时存在于两个地方。