1、寒冷的秘密寒冷的秘密寒冷让你发抖，逼你不得不找出长围巾、戴上软帽可你是否真的知道它的秘密呢？寒冷是一个充满奥秘的存在，它遵守某些奇怪的定律，扰乱它所接触到的躯体，并且以降到极限温度为乐小心冻着！编译 杨薇，陆慧琳-273.15没有比这再冷的了！无论你用多少冰块都没法得到比这更低的温度。这是绝对零度，寒冷的极致。为什么我们有时说“绝对零度”而不是-273.15？ 它们是同一个意思。为了方便，物理学家使用的温标和我们不一样。他们较喜欢使用以一位英国物理学家开尔文(Kelvin，18241907)命名的“开氏温标”。这个温标来源于可能出现的最低温度。这就是为什么-273.15相当于0开(我们不说“开
2、尔文度”)，而0相当于273.15开。是谁发明了绝对零度？ 一个名叫纪尧姆阿蒙东(Guillaume Amontons，16631705)的法国人第一个假设了极限温度的存在。1703年，他发现降低密封瓶中一定体积的空气的温度，瓶中的气压也会随之降低。他由此推断温度降得越低，气压也就会越小，直到为零。然而气压代表的是外部力量对一个表面的作用力，它不可能为负数。一旦降到零，它便无法再低，这时它所对应的温度也同样降无可降。阿蒙东推算这个温度为-240不赖啊！物质在这个温度下会出现什么变化？ 在高于绝对零度的温度下，组成物质的原子充满了活力。如果仔细观察，我们会发现它们跳动着，回旋着，闹腾着，简直和课
3、间休息时的学生差不多。现在，我们把温度降到这鼎鼎大名的-273.15，看看会发生什么上课铃声响了！原子们个个都静了下来，振动、躁动、转动都停止了。我们把这一状态称为它们的能量基态。为什么温度不能降得更低？ 拿一个-273.15的冰块作例子或者不要“拿”,就观察一下好了。你还能把它再降个十几摄氏度吗试试看不行吧？别沮丧，即使是最优秀的物理学家也无法做到这点。因为一个物体要冷却，必须以热量的形式出让一部分内部能量。热量实际上是两个物体传递能量的“钱币”。想知道热量从哪里传向哪里，只需要比较两个物体的温度。“喂，你！你比我更热吗？那么分点你的能量给我，直到我俩温度相同。我接受热量和信用卡付账。”这可
4、能就是冰块和一杯热水之间的对话内容。然而，一个温度为-273.15的物体无法出让热量，它没有足够的内部能量可供出让，仅剩的那一点只够维持它自身存在。它唯一能做的是接受热量，也就是回暖！现在的纪录是多少？0.000 000 000 1 开！这不是绝对零度，但已无比接近了这是芬兰赫尔辛基大学的研究人员在1999年运用磁性非常强的磁体取得的。但老实说，被冷却的只是铑原子核的一小部分。根本无法冷却整个实验样品，比如说围绕原子核做运动的电子就热很多。而在巴黎高等师范学校的卡斯特勒-布罗塞尔(Kastler-Brossel)实验室内，研究人员成功地用激光冷却了几十亿个原子，不过他们所达到的最低温度要比赫尔
5、辛基团队高10倍左右 而对于体积更大的物体，更不可能降到这样的低温。法国格勒诺布尔(Grenoble)超低温研究中心实验室将25厘升氦降至0.0001开，保持着这方面的一项纪录。该实验室使用的正是昨日的冰箱制冷技术。这是宇宙的温度吗？ 不！宇宙深处的温度为2.7开，即-270.5。不过宇宙中自然也有些热源，比如说恒星。为了理解这仅剩的一点温度是从何而来，只需把宇宙想象成一大碗汤，一碗130多亿年来一直在冷却的汤。130多亿年前发生的大爆炸是万物的开端，时间与空间的起源。宇宙从比针头还小的一点开始，不断膨胀。而那时的温度，比任何我们所能想象的温度都要高。宇宙炽热、滚烫。而从无极限的高到2.7开，
6、可以说这碗汤真是冷透了！而且它仍然在降温。唯一可以确定的是，宇宙温度永远不会低于0开。匪夷所思的寒流世界！在极低的温度下，物质会丢弃它们原有的礼仪。气体和金属会变成超流体或超导体，并且表现得十分怪异 多穿些衣服，我们将前往酷寒之地：约-270的深寒世界。在那里，我们和一种如清水般的液体有约，那就是氦。你或许比较熟悉它处于气态时的样子：就是这种比空气还轻的气体带着气球从千家万户的屋顶上飞过。但就像所有气体在低温下所表现出的那样，它也会液化。在-269，氦会液化。而再降低1，它们就变得疯狂如天外来客般匪夷所思。总之，1937年，当人们首次观察到这种现象时，竟然找不到合适语汇来形容它。俄罗斯物理学家
7、彼得卡皮查(Piotr Kapisa)不得不为此发明一个新词：超流体。 超流体？莫非它有超级力量？的确，它甚至还有好几种超能力。但令人印象最深刻的，还是它“穿墙而过”的能力。这超能力是因摩擦消失而来。当我们说某种液体很黏稠，是指它在物体表面很难流淌。比如说蜂蜜非常黏稠，水就不太黏稠；而超流态的氦是一丁点儿都不黏稠。所以它很容易流淌、散开。对它而言，所有的容器都是一个超级漏勺。想象一下：一条只有几十亿分之一米(相当于一颗原子大小)宽的缝隙，氦原子们争先恐后地从这条裂缝潜出。 也许你造出了一个具有完美密封性的容器？那最好把它盖紧了。否则的话，液体会沿着容器内壁攀缘而上，它们会连成一层薄膜，直到杯沿
8、。然后它们安静地沿外壁流下。只需几分钟，你的容器便空空如也。水也是，在杯子内它总有往上攀缘的倾向。和液氦一样，它被自然界一种名为“范德瓦耳斯力”的电磁相互作用所吸引。而且在超流体身上，只要沿容器内壁蔓延的液体薄膜上端和下部出现细微的温差，一种非常复杂的机制便能使液体开始向上攀缘，就好像高处有东西在吸一样。超流体的黏度为零，因此没有任何力量可以阻止它向上运动。黏度一般的水就做不来这一手，所以它只能安静地待在你的杯中。动起来！交通流畅得很！ 难以置信，不是吗？但好戏还在后头。因为超流体并不孤单，还有一种叫做“超导体”的，它俩从某种程度上而言就像是表兄弟。超导与超流类似，不过它不再发生在氦原子身上，
9、而是发生在电子身上。在正常情况下，电子会不断撞击导体金属的原子，本该用于前进的能量结果变成热能散逸掉。当它们最后再也无力前进时，电流也随之消失了。但在极低的温度下，一切都变了。降至临界温度以下后每种金属的临界温度都不一样，水银为7开，铌为16开电子就不再撞击原子，它们就好像从一条堵塞的道路转到了高速公路上，再没有任何障碍。结论就是，一旦把电流注入超导金属，这股电流可以几年不断而且不需要发电机来维持！这真是天外之术，可以用它来解决多少问题啊！ 但超流体与超导体到底是从何处得到超级力量的？这还得到量子物理中去找。你可得打起精神看好了，这门学科可不是以容易著称的！在极端的低温下，氦原子或电子处于最低
10、的能级上。这些小微粒聚集在一起请想象它们一个贴一个紧紧靠在一起并很快连接起来。因为在量子物理中，所有的微粒都可以被视为波或者说带点波形的短绳。当温度下降，这些波便平摊开来，并叠在相邻的波上，就好像一条短绳搭住另一条短绳。最终所有的短绳都紧密连接在一起，变成一条长绳。这条长绳成了每一次运动的最小单位，而不再是几十亿短绳分开作用这个变化改变了一切! 因此我们必须以另一种方式来看待物质和那些微粒。小微粒们不再单独存在，而是变成了一个集合：大家合并在一起，变成一条绳子。它们中的任何一员从此都无法脱离队伍。单个微粒的概念这时已没有意义了，它们不能脱离“绳子”而存在黏度的丧钟已经敲响。禁止碰撞 实际上，黏
11、度是某些原子与其攀缘的容器内壁进行能量交换的表现。这些原子攀附在容器内壁上，脱离了队伍。而在深寒世界，绝对不会出这种事，原子们根本无法做到这点。 超导金属中的电子也一样，它们被禁止与原子碰撞，违者“通报批评”。事实上，超导与超流是量子物理十分显见的两种表现形式。但我们通常看不到此类物理现象，因为受量子原理支配的原子、微粒，它们的身围都不超过一百亿分之一米。因此，参观深寒世界，同时也是发现无限微小的世界怪不得现在离开时，我们会有点头昏眼花、思绪不清破纪录的寒冷在继续探究寒冷的奥秘之前，先来暖暖身子吧。你知道宇宙中有哪些最冷的地方吗？宇宙间最寒冷的地方 宇宙间最寒冷的地方并不在遥远的星河尽头，而是
12、在法国，具体地说是在位于格勒诺布尔的超低温研究中心的实验室里。在那里，温度可以低到0.0001开，相当于-273.1499!呵呵，你先前肯定是想到一个更奇怪的地方去了吧！但实际上，宇宙空间的温度大致在3开左右，所以宇宙中最冷的地方确实是在科学实验室里。超低温研究中心的研究人员与英国兰开斯特大学的学者合作，用类似上图中的仪器把1/4升氦降到了这个不可思议的温度。这仪器其实也就是一个“冰箱”虽然不完全像你家里的那个。镀银的蛇形管和家用冰箱背后的那根黑色管道一样，是一个热交换器。在蛇形管内流动着冷却气体：氦3。而需要降温的氦则在最下面的那个部件里。这个部件可真小，也就能做做冰块罢了太阳系内最大的昼夜
13、温差 太阳系内最大的昼夜温差出现在离太阳最近的水星上。在那里，昼夜温差将近600。水星至太阳的距离只是地日距离的一半。因为靠得近，所以晒得也厉害。白昼，是430高温的炙烤。夜里，则是-180的低温冷冻。这主要是因为水星没有大气(而金星和地球有)来保存热量。这巨大的温差同时也由其漫长的白天和黑夜所决定：水星上一个白天的时间就相当于地球上的88天！太阳系内最冷的天体 太阳系内最冷的天体是厄里斯(Eris)星球。根据天文学家的观测，那里的温度为-250。这个直径大约2400公里(地球直径为12700公里)的矮行星是柯伊伯带天体中的一员。它所处的轨道与太阳之间的距离是地日距离的3898倍。厄里斯星从太
14、阳吸收到的能量非常少，所以它的温度才会如此之低。而柯伊伯带中其他离太阳更远的天体，它们的温度一准更低。地球上最寒冷的地方 地球上最寒冷的地方是南极洲的东方站(Vostok station)。1983年7月21日，科学家们在那里测到了-89.2的气温。应该说东方站所在的这个地方绝对是个低温王国。首先，这里是终年被冰雪覆盖的南极，有半年的时间都是黑夜：低温纪录就是在阳光消失3个月之后才测到的。其次，东方站的海拔为3400米。如果你登过山，你就应该知道，海拔越高，温度越低。再者，东方站位于南极大陆腹地，完全不受海洋温度的影响，因为海洋的温度处于-26，会使沿岸地区相对暖和一点。从古到今最低的平均气温
15、 地球诞生以来，全球平均气温最低曾降至-40，这与当前宜人的15相差很远。干脆这样说吧，那时的地球是一只大冰球。那是在75亿年前，很有可能是由于大气中二氧化碳减少引起。二氧化碳是一种能吸收并保存太阳热量的温室气体。没有它，温度就会急速下降(而当它太多时，温度就会上升，这就是目前所发生的情况)。那么在那个时候，二氧化碳究竟去哪里了呢？海洋，是海洋从大气中夺走了大量二氧化碳。冷冻,为了复活?他们死于疾病，安眠于-196的低温环境中，期待有一天人们能把自己唤醒，并治愈他们的绝症。然而经过这样一次冰冻之旅，他们能毫发无伤吗？ 来，冻一下，然后继续活！在美国的一些机构，如阿尔科生命延续基金会(Alcor
16、 Life Extension)或者是人体冷冻研究所(Cryonics Institute)看来，“尸体冷冻术”就是如此简单。最近20多年，他们一直在向客户提供此类服务：只要医生一下死亡鉴定，他们就立刻把客户的尸体存入-196的液氮中这条“天国”之路冰冷刺骨，但值得一试，因为这里卖的是“来回票”。原来，这些机构向客户郑重地解释，说只要有一天，科学能够治愈导致他们死亡的疾病，就会把他们救醒，让他们摆脱病魔，重享人生。你认为这是异想天开？可相信的人还不少呢。2007年，就有130多人选择交付15万美元，把液氮冷冻柜作为自己最后的居所。而且此后，他们每月还要支付500多美元的维护费用。不过再次“叫醒
17、”他们应该是相当艰难的。鉴于完好地冷冻一具躯体所面临的各种困难，他们要等待的恐怕不仅仅是科学的进步，而是科学的奇迹了！搞不好变成碎肉酱！ 确实，想把自己冷冻起来的人最终很有可能变成一坨碎肉！水是这一事件的罪魁祸首。水分在人类肌体中的含量达65%。当温度降到0以下，我们细胞中的水就会变成冰。然而，同等质量的冰比液态水的体积要大9%。如果你把一个装满水的瓶子放入冷冻柜，瓶子很快就会胀破，因为水结冰后体积膨胀了。被冷冻的细胞，其结局大致也同样悲惨，边角锋利的晶体会像许多把小刀刺破细胞膜。如果冷冻的速度很慢，就将导致细胞液漏到细胞外，细胞慢慢枯死。兔子撒尿就是胜利！ 在冷冻中永生一时半会儿还办不到，但
18、这并不意味着研究人员对这一课题不感兴趣。到目前为止，他们已经可以冷冻精液、胚胎和皮肤但最大一次成功是在2005年，诞生在美国人格雷戈里梅伊(Gregory Mahy)的实验室里。他先取出兔子的一只肾，把它放到-130的低温中保存；然后解冻，用它替换下兔子的另一只肾，而兔子竟然还能正常地小便！这也就是说，这个肾运作良好！当然，兔子的肾很小，只有20克重，不过这仍然是一个令人惊喜的结果，它的实现多亏了一项高速发展中的尖端技术玻璃化冷冻。 将一个生命系统玻璃化，简单地说就是让其所有内部分子都暂时停止运动。这可以防止水分子结晶，使它们仍像液态时那样无序排列，但围绕一个确定的平衡位置振动。要达到这样的状
19、态，就必须夺去每个水分子中的能量，使它们之间无法进行相对位移，也就是说要将它们冷冻。但要注意的是，冷冻的速度必须非常快，使水分子没有时间结晶。最好的办法莫过于给它们制造点障碍。救命的酒精！ 这个任务由冷冻保护液完成。其实这就是一些防冻剂(比如酒精家族的一些分子，如丙三醇)。水分子在结晶时，若有防冻剂分子混杂其中，结晶就会延缓这正是研究人员所期望的。因为要将纯净水玻璃化，每分钟就必须降温100万摄氏度，而掺入防冻剂，每分钟降温十几度就能大功告成了。 基于这个成功经验，我们可以想象人类在几十年后就会拥有器官库，使有需要的病人随时都能享受器官移植。但这种方法并不适用于整个肌体的保存除非把人体拆零。因为我们不能用冷冻肝和肾的方式去冷冻大脑。每个器官的细胞都有其特殊性，对它们不能以同样的速度进行冷冻，也不能用同样多的防冻剂。 有朝一日，我们一定会得益于低温生物学的发展和器官库的完善而能活得更久。但永生依然是个奢望。
