光能被絕對零度凍結嗎?如果能,是凍成一根棍子還是一道波浪?

2021-01-15 星辰大海路上的種花家

這是一個非常有趣的話題,坊間流傳的說法是絕對零度下所有物質都靜止了,那麼作為宇宙中速度天花板的光會如何運動呢?變成一條棍子還是一條波紋,一個非常有探討價值的問題,我們不妨來展開下!

什麼是絕對零度?

要了解絕對零度的概念,我們首先得來了解下溫度的概。物體溫度的宏觀表現就是冷、溫、燙甚至灼燒與發紅、甚至發光,這是物體從冷到熱的一個過程。那麼溫度的微觀表現是什麼,是什麼原因導致了物體宏觀溫度的升高?

物體微觀粒子的熱運動的劇烈程度是宏觀溫度的內在表現。根據麥克斯韋-玻爾茲曼分布,粒子動能越高,物質溫度就越高。

因此我們可以用一個模型將微觀粒子的運動程度和溫度聯繫起來,分子運動越劇烈,那麼溫度表現就越高,反之微觀粒子運動逐漸趨向於靜止,那麼它的溫度表現就越低!當微觀粒子動能低到量子力學的最低點時,即達到絕對零度!

上圖就是溫度和粒子運動的模型曲線,為什麼指向絕對零度(-273.15℃)的有一截是虛線?因為我們達不到,只能用虛線表示!

用什麼手段可以達到或者接近絕對零度?

生活中有兩種降溫設備,一種是空調另一種是冰箱,這是我們日常必不可少兩種家用電器,前者在夏天給了我們第二次生命,這得感謝威利斯開利,因為是這位大神發明了空調!後者則是我們日常保存食物的重要手段!但這兩個都不能達到我們的要求,因為民用冰箱的最低溫度最低只能達到-18℃,距離絕對零度差的遠了!

介質冷卻實驗用的超低溫冰箱,可以達到-40℃,甚至-80℃,或者液氮冷卻能接近-196℃,或者液氦冷卻能接近-268.9℃,再往下我們沒有合適的媒介了,因為這種用蒸發方式降溫的方式,介質的溫度必須低於物體的溫度,才能使物體的溫度無限逼近介質的溫度,但它不可能低於介質的溫度,比如液氦溫度是-268.9℃,那麼液氦作為介質的設備不可能製造出低於-268.9℃的低溫。那麼我們製造接近絕對零度的方法就黔驢技窮了嗎?當然不會,我們還有一種流氓的辦法!

雷射冷卻可能各位對雷射的印象都是輸出巨大能量不一樣,雷射也可以用來極端製冷,但卻不是我們所謂的日常空調或者冰箱製冷方式,更準確的形容話是一種都卜勒效應達到原子冷卻技術!因為我們用介質蒸發的方式冷卻只能逼近介質的溫度,而我們找不到-273.15℃的介質,那麼換一種方式,讓微觀粒子的運動接近或者到達靜止,不是變相實現絕對零度了麼?所以我們形容它是一種流氓辦法!

雷射製冷的原理:利用都卜勒效應達到原子製冷的技術,即在雷射傳播方向與原子運動相反時候,由於都卜勒效應,原子處觀測雷射頻率會比實際頻率略高(藍移),此時控制射入的雷射的頻率,使其比原子共振頻率略低,但因藍移效應,剛好進入原子吸收光子而達到激發態,當原子從激發態回落基態時,所釋放的能量比吸收要略大一些,這種能量「欺騙效應」會導致原子會損失能量!而光子的反向動量會抵消原子的運動,而釋放光子則是隨機的,因此原子的動量會進一步降低。

2018年5月21日,裝載在軌道ATK Antares火箭上的天鵝座飛船搭載了冷原子物理實驗室(CAL)從美國宇航局瓦洛普斯基地發射升空。計劃在微重力環境下展開冷原子云實驗,這是美國噴氣推進實驗室(JPL)設計製造的一個實驗裝置,利用的原理就是雷射製冷,目標是製造出有史以來宇宙中最低的溫度!

CAL(冷原子物理實驗室)在國際空間站製造出了-273.149999999999℃,只比絕對零度高出0.000000000001℃!當然冷原子云實驗並不滿足於此,未來實驗將持續至2020年。

製造出無限接近絕對零度的低溫有什麼用?

1、物質的第五第六態

我們目前了解的物質形態總共有六種,常見的氣態,液態與固態,實現條件比較簡單的是等離子態,等離子態是高溫下實現的(當然也有低溫等離子體),而第五態:玻色-愛因斯坦凝聚態以及第六態費米子凝聚態則是在極低溫狀態下的量子態。

波色-愛因斯坦凝聚態是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度時穿線的超流性物質狀態,1995年,麻省理工的沃夫岡·凱特利和科羅拉多大學的埃裡克·康奈爾和卡爾·威曼使用氣態的銣原子在170nK的低溫下首次實現了玻色-愛因斯坦凝聚態!玻色-愛因斯坦凝聚態有一種非常特殊的特性,達到此形態的所有原子能凝聚到能量最低的量子態,形成如同一個原子,無法區分彼此的形態!

費米子凝聚態費米子凝聚態則是與玻色-愛因斯坦凝聚態類似的一種物種形態,不同的是它是接近絕對零度的費米子量子態集合!費米子凝聚態的形態則剛好與玻色愛因斯坦凝聚態相反,每個都粒子也都在最低能態,但它們各不相同,如同擁擠的人群一樣。

玻色子:遵循玻色-愛因斯坦統計的粒子,比如膠子、光子、希格斯粒子、和Z等基本粒子。玻色子不遵守泡利不相容原理,在低溫時能產生玻色-愛因斯坦凝聚。費米子:是遵守費米-狄拉克統計的粒子。費米子包括所有夸克與輕子,任何由奇數個夸克或輕子組成的複合粒子,所有重子與很多種原子與原子核都是費米子。費米子遵守泡利不相容原理!

二、玻色-愛因斯坦凝聚態

這曾經是愛因斯坦在70多年前預言的一種物質形態,隨著科學技術的發展,現在人類實現了它,這玩意兒有啥用呢?

這群突然跌落到最低能級玻色子集合表現的特性與單個粒子一樣,具有完全相同的物理性質這讓「沒事幹」的科學家發現了新大陸:漢諾瓦大學與UPV/EHU組成聯合研究小組,在兩個分離空間內的玻色-愛因斯坦凝聚體,實現了量子糾纏!

以往的量子糾纏實驗中,對象都是單個量子態。而此次實驗對象則是處在玻色-愛因斯坦凝聚態的冷原子云,這種模式跟經典的量子糾纏實驗模型相比,冷原子云可以製造出高糾纏態!在需要創建和控制大型糾纏態的集合體時,無疑玻色-愛因斯坦凝聚態冷原子云的糾纏具有相當的優勢,這可能是未來大規模量子計算機的現實基礎!

達到絕對零度後,光的運動方式會怎麼樣?

假設達到了絕對零度(當然這是一個不可能實現的溫度),光會被凍住嗎?答案是不會,因為在絕對零度的世界裡沒有光,如果有光的話就會有能量輸入,那麼這個系統就無法達到絕對零度!

那麼假設無限接近絕對零度,光又會如何呢?

光子是玻色子,在無限接近絕對零度時會達到玻色-愛因斯坦凝聚態,形成冷原子超流體,猶如水銀瀉地一般?我們比較難想像這種光子超流體狀態,但至少以現在的科技並不能實現光子達到玻色-愛因斯坦凝聚態,因為我們冷卻原子用的技術就是雷射製冷,暫時實現仍然還是原子級別冷原子云實驗,也許不久的將來可以實現超流體光!

科幻片《幽冥》劇照

最後來簡單介紹下概念很硬核、劇情很緊湊、觀賞性很高關於玻色-愛因斯坦凝聚態的科幻片《幽冥》,說的是被某種實驗困在在玻色-愛因斯坦凝聚態、半生半死之間的「人形生物」與三角洲特種部隊之間戰爭的反戰電影,整體來說作為科幻片來看是不錯的,但請勿和現實中的玻色-愛因斯坦凝聚態聯繫起來,因為凡是電影很難經得起科學邏輯推敲的,盡情欣賞即可。

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  • 絕對零度能把時間凍結嗎?
    但你聽說過最高溫復嗎?是幾萬攝氏度還是幾十萬攝氏度?如果沒有,你一定要知道最低溫度,絕對零度,這個絕對零度可不是我們日常生活中的零攝氏度,而是零下273.15攝氏度,這個溫度是宇宙間的絕對零度。那麼絕對零度有多恐怖呢?人類能夠感承受的最低溫度是零下60到70攝氏度,一旦低於這個溫度,人類存活下來的可能性幾乎為零。
  • 在絕對零度的環境中,光會被凍結嗎?
    人類能創造出最低溫度環境嗎?在最低溫度環境下,光將呈何種形態?它是否形如冰棍?宇宙最低溫度是多少?看到這個問題,相信不同人心中有不同答案,有人認為宇宙最低溫度在零下100攝氏度左右,這是以地球情況為參照進行推測的。有人認為宇宙最低溫度能達到零下1000攝氏度甚至更低,因為宇宙最高溫度超過1萬攝氏度。那麼,宇宙最低溫度到底是多少?
  • 絕對零度能凍結一切,若光也受其影響,人類能藉此實現穿越嗎
    審核:小文引言:我們都知道水在零攝氏度的時候,就會被凍結。通常在我們的印象中,似乎只有液體可以被低溫凍結。然而實際上,水能被0攝氏度的低溫凍結,是因為0攝氏度是它的熔點。而世界上所有的物質,都存在這樣的性質。光也一樣嗎?
  • 絕對零度是光的終結者嗎?凍住的光會呈現什麼狀態?看完明白了
    但基於存在即思考的命理,一個問題來了,在絕對零度以下,還有物體能夠存活嗎?光是不是個例外?實際上,絕對零度是個很可怕的假設,它真切地與死亡掛鈎。要知道,在現在的理論基礎上,任何運動著的存在都會產生熱量,即使那個熱量小到用現在的最精密儀器都測不出來,並且在人們的想像中無限約等於不存在,就是這樣,對絕對零度來說,也是個不會放過的存在。
  • 凍結時間凍結光?-273.15℃的絕對零度究竟有多可怕!
    既然在絕對零度時物質內部所有分子都將停止運動,那是否意味著光子也停止了運動?難道絕對零度可以將光凍結嗎?甚至更誇張低講,絕對零度的狀態下,時間是否也停止了運轉?事實上的確如此!我們知道,光具有波粒二象性,根據愛因斯坦的相對論,光實際上是會受到引力的影響,而且光還能夠被黑洞吞噬,所以從本質上來講,可以將光作為是一種物質!
  • 「絕對零度」真的存在麼?如果存在可以凍結時間麼?看完剛知道!
    歡迎大家來到百家號小宙斯帶你看宇宙,今天小編和大家分享的是「絕對零度」真的存在麼?如果存在可以凍結時間麼?看完剛知道。相信大家都是知道「絕對零度」這個詞語的,相信有很多人在一些科幻電影當中,也都是看到過絕對零度的存在,在科幻電影當中「絕對零度」是可以凍結時間的,簡單來說就可以讓時間停止在如今這個狀態。那麼「絕對零度」真的存在麼?如果存在可以凍結時間麼?
  • 絕對零度有多可怕?如果光線處於絕對零度,它會停止嗎?
    引言:每當我們觀看科幻電影的時候,編者總喜歡用量子力學,黑洞,超光速,絕對零度等專業的名詞來拼湊劇情。我們今天就來扒一扒絕對零度這個概念,在許多小說中,絕對零度能凍結所有的物質,真的是這樣嗎?連光線也逃不過嗎?
  • 在絕對零度的溫度下,光會被凍結嗎?科學家給出肯定答案
    引言:大家都知道水在低溫條件下會結冰,金屬水銀也會凝固,甚至在更低的溫度下,連空氣都能被液化,甚至變成固態的氮氣,氧氣等等。所以鄰居街坊流傳著一種說法,任何物質都會被絕對零度凍結,這是真的嗎?連光也逃脫不了嗎?
  • 30萬公裡長棍子沿固定點旋轉,每秒1周,棍子末端能超光速嗎?
    對於光速無法超越理論,相信有不少人一定不服,假想一下,如果將一根長達30萬公裡鐵棍一端沿一個固定點旋轉,每秒只需旋轉1周,不考慮棍子斷裂等因素,根據圓周長公式L=2πr計算得出,棍子末端線速度不就達到每秒188.4萬公裡嗎,是真空光速6.28倍。
  • 科學家創造出第5狀態物質,無限接近絕對零度,甚至能凍結光線
    科學家創造出第5狀態物質,無限接近絕對零度,甚至能凍結光線在我們的宇宙中,物質的常見狀態有3種,第一種就是液態,就像是水,第二種就是固態,就像是巖石,第三種就是氣態。這三種狀態都可能在同一種物質上呈現,除此之外,還有第四種狀態就是火焰的離子態。
  • 溫度可以無上限升高,卻有絕對零度的下限值:光能被絕對零度凍住
    在大家的認知中,溫度的最低極限是零下273.15攝氏度,即絕對零度。有人說在絕對零度的情況下所有物質都有靜止,但是作為宇宙中速度天花板的光會如何運動呢?首先,在現實生活中是很難達到絕對零度的。事實上,從理論上來說,絕對零度不僅不能被突破,也是無法到達的。因為即使你把某個物體降低到了絕對零度,但是它周圍的環境還是會對其產生影響,通過輻射等方式將能量傳遞到它上面,導致它重新獲得微觀粒子的動能能量,溫度就會提升。不過,人類還是一直在努力地將溫度向絕對零度靠近。
  • 人類真的可以實現超光速嗎?科學家:一根棍子就可以做到
    日常經驗告訴我們,推動棍子的一端,另一端馬上就會動,事實上這一過程中,也有時間延遲,並非瞬間完成,只是傳遞的時間太短,導致人們感覺不到,那麼,人類可以用一根棍子實現超光速嗎?生活中,我們司空見慣的一個現象,也就是只要一用力馬上就會見到結果,例如,扔一塊石塊,揮舞一下棍子等,於是就有了一種錯覺,誤以為力不需要耗費時間,產生這樣的結論,主要是因為我們對力的傳播還不太了解。
  • 如果有一根一光年長的棍子,推動一端另一端馬上動,超光速了嗎?
    不過類似這樣的假設確實一廂情願了,完全建立在個人主觀臆斷的想像基礎上得出的結論,其實還是以絕對時空觀的思維來思考問題,或者說總是以狹小空間裡的感受去思考浩瀚宇宙,當然不會有正確的答案。在我們日常生活裡,一根棍子通常不會太長,一般很難找到超過10米長的棍子,日常經驗告訴我們,推動棍子的一端,另一端馬上就會動。
  • 能達到絕對零度嗎?如果說比絕對零度還低,會是什麼情況?
    不說熱力學定律,上世紀初發展而來的量子力學也告訴我們,無論你的溫度有多低,都存在一個最低的能量態,稱為基態,這股子能量被稱為零點能,也就是說,無論怎麼樣,都有基礎的能量存在,你所幻想的那些達到絕對零度出現的奇異情況,並不會發生。
  • 如果能實現絕對零度,光會怎麼樣?它會被凍住呈現一種神奇的景象
    而其它的氣體也同樣有自己的結冰點,都是非常低的,如果是在加壓的狀態下,結冰點還會升高。而宇宙最低的溫度理論上是絕對零度,這是一個超乎我們想像的低溫,那麼在絕對零度之下,物體的表現會是什麼樣?那將會是一個非常神奇的景象。相信很多朋友都非常好奇,如果能夠實現絕對零度,光會怎麼樣?
  • 在絕對零度下,光會被凍住嗎?
    絕對零度就是死亡,不是一個人一個生命的死亡,是宇宙分子和原子熱運動的停止,一切物質都停止了運動,當然也包括了光。所謂絕對零度把光凍成一條棍還是一條波紋,這只是人們在看得到的世界一種幻想,是對量子微觀世界和宇宙宏觀世界不了解的臆測。
  • 絕對零度到底有多恐怖 能凍住光麼 (零下273℃的威力)
    什麼是絕對零度?世界上有人居住的最冷的地方是零下70度,這是人的極限,絕對零度是熱的最小值,但這是理論上的最小值,熱力學單位是開爾文,絕對零度是開爾文溫標上的零度,也就是零下273.15度。在熱力學中,如果你在絕對零度,那麼所有的熱運動都會停止,開爾文就像我們今天用的攝氏度單位,1攝氏度等於1開爾文。絕對零度存在嗎?
  • 絕對零度有多大威力?如果人體遇到這一溫度,存活率為零!
    絕對零度有多大威力?如果人體遇到這一溫度,存活率為零!人類的感官能力很強,炎熱和寒冷能明顯區分。如今環境巨變,多地溫度攀升,很多地區的人們要面臨熱死的風險,就連南北極也有了明顯的變化。南北極以嚴寒聞名,如今卻變得面目全非,人體能承受的溫度是有局限的,等天氣冷了會穿厚衣服,天氣熱了就會脫衣服。隨著氣候的變化,人類也會做出一些相應的行為。大家聽說過絕對零度嗎?當人體遇到絕對零度,活下來的可能性微乎其微。
  • 絕對零度有多可怕?假如人體碰到絕對零度,還能活下來嗎?
    絕對零度用我們熟悉的攝氏溫度來表示就是「零下負273.15攝氏度(-273.15℃)」,這是一個理想狀態下的溫度值,是理論中物質所能達到的最低溫度,這個溫度值在現有的科學理論框架內,只能無限接近,是永遠也無法達到的。想要知道為什麼絕對零度只能無限接近而無法達到,我們先需要了解溫度的物理學定義。