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低溫下有什麼神奇的物理現象

作者:東譜科技(廣州)有限責任公司 瀏覽: 發表時間:2020-04-01 09:00:00 來源:中國科學院北京分院
一波冷空氣席卷全國。北京的朋友已經收到來自西伯利亞的“禮物”——強冷空氣。西伯利亞這份“大禮包”給北方的人們帶來一節生動的物態相變課程——2020年的第一場雪。沒錯,四季變化、溫度交替、風霜雨雪都是大自然給予人們最好的禮物,也為人們認識豐富的物質世界打開了一扇窗。
我們借著西伯利亞這一波強冷空氣,打開低溫世界的大門,從人們可以感受到的溫度變化一直走到接近“絕對零度”的極低溫世界。


打開這扇大門之前,我們先來介紹溫標的概念。溫標之於溫度,就好比尺子之於距離,天平之於質量,溫標是衡量溫度的標尺。常用的溫標有三種:華氏溫標、攝氏溫標和絕對溫標。華氏溫標和攝氏溫標不再過多解釋,這兩種溫標都依賴於測溫物質的物理性質,統稱為經驗溫標。絕對溫標不依賴於測溫物質,由熱力學第二定律的推論卡諾定理來定義,也稱為開爾文溫標或者熱力學溫標,絕對溫標利用理想氣體在體積一定的情況下,壓強與溫度之比為常數,將所有理想氣體壓強-溫度曲線反推交點的溫度定為絕對零度,最小間隔與攝氏溫標相同,單位為開爾文K,則水的三相點溫度(0.01℃)為273.16K。熱力學第三定律指出,“絕對零度”無法通過有限次步驟達到。


水的相圖,描述的是水在不同溫度和壓力條件下的存在狀態

三種溫標的換算關系為:

攝氏溫標(t)與絕對溫標(T)的關系為 T=t+273.15

攝氏溫標(C)與華氏溫標(F)的關系為 F=1.8C+32


帶著溫標這把“標尺”,我們一起打開低溫世界的大門,看看從0攝氏度到接近絕對零度都有哪些神奇的現象吧。為了方便讀者理解,以下內容將同時用到攝氏溫標與絕對溫標。


0℃,即標準大氣壓下,冰水混合物的溫度,這個溫度也是人們最常見的相變現象,也是人們對低溫的最直觀感受。炎熱的夏天,一杯加冰可樂,可以帶給你沁透心脾的清爽。

然而,冰水混合物隻是人們感受到低溫的開始,要知道,北京冬天最冷的時候經常能到-10℃甚至更低,而我國漠河地區冬天通常在-40℃以下。這個溫度下,體溫計(水銀溫度計)已經失效(水銀熔點為-39℃),灑出的開水會迅速變成冰花。


同時,漠河也保持著我國最低氣溫的記錄,-52.3℃。而地球上的南極,有記錄的最低氣溫為-88.3℃。這個溫度下,標準大氣壓下的二氧化碳也已經變成幹冰。


到這裏,基本已經到了人類能夠忍受的低溫極限。但是,我們低溫世界的探索才剛剛開始。隨著溫度的繼續降低,空氣中的各種成分逐漸變成液態。當溫度降到-183℃(90.15K),氧氣已經變成淺藍色液體。溫度繼續降低到-195.8℃(77.35K),空氣中的氮氣也將變成液態。而由於氮氣在空氣中體積比高(78.03%),便於液化。因此液氮製冷通常用於迅速冷凍生物組織,可用於冷凍和運輸食品,用來進行冷凍治療和冷凍手術。


此外,由於液氮的廉價性(相同體積的液氮比相同體積的可樂還便宜),因此液氮也被科研愛好者“玩”出了新的高度。把活魚扔進液氮,把岩漿倒進液氮,把可樂放進液氮,把開水倒進了液氮……眾多的液氮實驗充斥著視頻網站,大家感興趣可以自行搜索。2014年,當“冰桶挑戰”風靡世界的時候,在液氮工廠工作的俄羅斯小夥Anton Konovalov更是瘋狂的用液氮進行了一次“冰桶挑戰”,他用-196℃的液氮澆到身上,但是液氮並沒有給他造成凍傷。(小編提示危險請勿嚐試)


戰鬥民族小夥用親身實驗生動地向大家詮釋了萊頓弗羅斯特效應,即低溫的液氮接觸高溫的皮膚會立刻蒸發,而蒸發產生的氮氣在皮膚表面形成了蒸汽層,阻礙了皮膚與液氮的接觸。即便如此,也不建議大家盲目模仿,畢竟,一不小心,可能接觸到液氮的身體組織就會迅速凍傷壞死。


Anton Konovalov將一桶液氮迎頭澆下

(危險實驗,請勿模仿!
從液氮溫度的77K開始,低溫下奇特的現象也逐漸豐富起來。繼續降低溫度,許多氣體將會陸續液化,但是,在18世紀,由於低溫技術的限製,人們認為存在不能被液化的“永久氣體”,如氫氣、氦氣等。直到1898年,英國物理學家杜瓦製得液氫(液化溫度為-252.77℃,即20.38K),1908年,荷蘭萊頓大學萊頓實驗室的卡末林·昂內斯教授成功將最後一種“永久氣體”——氦氣液化(標準大氣壓下液化溫度為4.215K),並通過降低液氦蒸汽壓的方法,獲得1.15~4.25K的低溫。從此昂內斯教授為大家打開了極低溫物理世界的大門。昂內斯在液化氦氣的研究中,發現金屬鉑電阻在4.3K保持為一常數,而不是通過一極小值後再增大。昂尼斯進一步實驗選擇了更容易提純的汞作為實驗對象。他將汞冷卻到-40℃,使汞凝固成線狀;然後利用液氦將溫度降低至4.2K附近,並在汞線兩端施加電壓;當溫度稍低於4.2K時,汞的電阻突然消失,表現出超導電性。因此他成為研究超導第一人,為超導的研究奠定了基礎,也因此獲得1913年諾貝爾獎。如今,超導體的三個基本特性:完全電導性、完全抗磁性、通量量子化均已經得到廣泛應用,比如超導線圈、超導磁懸浮列車、超導量子幹涉儀等。


(圖片來源:百度百科)

完全抗磁性即邁斯納效應,是磁懸浮列車的理論基礎。

利用超導約瑟夫森效應和磁通量子現象測量微弱磁場的超導量子幹涉儀


繼續挺進更低的溫度,我們將達到宇宙大爆炸後膨脹冷卻到現在的溫度2.7K(微波背景輻射的溫度)


隨著溫度降低,液氦將在2.18K時會有明顯的性質改變,將獲得超流性(HeⅡ),即具有零阻力或零黏度。超流態的液氦能沿容器壁向上流動,使容器內外的液面持平,即著名的“氦膜爬升”實驗。此外,熱傳導性為銅的800倍;其比熱容、表面張力、壓縮性都是反常的。


液氦的這種超流特性起源於玻色-愛因斯坦凝聚, He原子是自旋為整數的玻色子, HeⅡ可以看成是由玻色子組成的玻色氣體,遵守玻色統計規律,玻色統計允許不同粒子處於同一量子態中。當溫度低於一個臨界溫度Tc時,一些粒子會同時處於零點振動能狀態(即基態),稱為凝聚,溫度愈低,凝聚到零點振動能狀態的粒子數就愈多,在絕對零度時,全部粒子都凝聚到零點振動能狀態,這個現象即玻色-愛因斯坦凝聚。由於已凝聚到基態的HeⅡ原子具有最低的零點振動能,故有極大的平均自由程,能夠幾乎無阻礙地通過極細的毛細管

4He相圖,由於相圖曲線與λ相似,也被稱為λ相圖。

繼續降低溫度,我們基本已經來到了1K附近的溫區,單純的通過壓縮4He再降低液氦蒸汽壓的方法已經很難再使溫度繼續下降。科學家利用相同的方法對氦的同位素3He進行液浴減壓可以到0.3K。實際上。3He和4He的混合液在0.87K以上溫度時可以以任意比例互溶,在0.87K以下時發生相分離,即分成含3He較多的濃相和含3He較少的稀相兩部分,兩者間構成一界面,濃相浮於稀相之上。當3He原子從濃相通過界面進入稀相時,由於4He的超流特性,3He在超流態4He中不受任何阻力,好似在真空中一般,這個過程類似於普通液體通過液面蒸發成氣體,要吸熱緻冷,這就是稀釋製冷的原理。稀釋製冷機就是利用這一原理,再通過壓縮機將稀相的3He-4He蒸餾分離出4He,再將3He通過循環系統重新回到濃相,利用稀釋製冷技術,我們可以到達1.5mK的溫度。現如今,稀釋製冷機已經成為凝聚態實驗物理學家研究的利器。


3He相圖與稀釋製冷原理


稀釋製冷機內部結構,看似簡單的結構內部極為精密

如果繼續向絕對零度進發,目前已經能夠在稀釋製冷的基礎上通過加壓使3He發生液-固相變時的吸熱效應(坡密朗丘克緻冷,液態3He的熵比固態3He的熵要小),可以達到1mK。利用核絕熱去磁使核磁矩由自旋極化變成混亂取向使熵增加的吸熱效應可以將核自旋溫度降低到50nK量級,但是晶格溫度仍為mK量級。


至此,我們已經達到了目前幾乎人類能夠達到的低溫極限,但是依然無法達到絕對零度,從量子力學的角度來看,量子漲落是永恒的,粒子不可能靜止不動,既然存在量子漲落,光仍然會產生、湮滅。


那麼,既然絕對零度無法達到,我們不斷追求的接近絕對零度又有什麼意義呢?回過頭來看一看我們從0℃走到接近絕對零度的過程,可以清楚的看到:隨著溫度的降低,不同的凝聚現象逐漸發生。用物理語言描述,這正是不同的對稱性逐漸發生破缺的結果。我們知道,由於多體相互作用以及熱激發使得許多量子效應無法在宏觀世界觀測到,但是,隨著溫度的逐漸降低,那些被熱激發掩蓋的量子現象、凝聚現象就會一點點展現出來。例如,隨著空氣的逐漸冷卻,其中的水開始凝結成冰,繼續冷卻,其中的二氧化碳、氧氣、氮氣、氫氣乃至氦氣都會凝結,當進入1K以下的極低溫,還會看到許多奇妙的量子現象。如果溫度進一步降低,還會有哪些凝聚現象發生?這些新的凝聚現象又會引發什麼樣的量子效應,能否為我們帶來好處?這是科學家們思考的永恒主題,也是低溫技術發展的永恒動力。

原標題:打開低溫的大門


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