寒冷的秘密你知道多少寒冷让你发抖，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！ -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，1824～1907)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，1663～1705)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，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。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，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①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②。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38～98倍。厄里斯星从太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-2℃～6℃，会使沿岸地区相对暖和一点。 从古到今最低的平均气温 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 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"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。 |
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