本報記者 劉霞 綜合外電
人類已經耗費了100多年的時間，試圖達到絕對零度，儘管還沒有到達目的地，但這段神奇的旅途已經為人類提供了很多絕美的「風景」，促使科學家們做出了很多重要的研究發現，其中最著名的當屬大型強子對撞機（LHC）內使用的超導體；以及有望成為量子計算機的量子比特的馬約拉納費米子等。這或許是一段永無止境的追尋。
據英國《新科學家》雜誌網站6月25日報導，到達絕對零度是一個令人想來就會心生膽怯的目標，一百多年來，人們上下求索，但從未到達，不過，這絕非一場堂吉訶德般徒勞無功的探索，而是如少年派和孟加拉虎在海上漂流一樣，是一場處處有驚喜的奇幻之旅，這段探索之旅催生了很多科學奇蹟，是自然饋贈給人類的「意外之禮」。
絕對零度：諾貝爾獎催化劑
我們很小的時候，就開始與溫度打交道。父母們總是會不厭其煩地確保孩子房間裡溫暖如春；洗澡水的溫度「剛剛好」；而有些東西則「太燙了，不能碰」。
隨著我們慢慢長大，我們開始用數值來表示對溫度的感覺。我們知道，水到了零度就會結成冰；氣溫20攝氏度左右，會讓我們感覺涼爽宜人；人體處於37攝氏度時最舒服自在。隨著我們對溫度的認識不斷強化和深入，在某個節點上，或許是在上學時，我們同另一個遠離日常生活的溫度——絕對零度狹路相逢。
絕對零度就是開爾文溫標定義的零點。0K約等於攝氏溫標零下273.15度。絕對零度是冷的極致，是一種理想的無法達到的完美冰冷狀態，就如瑞典著名兒童文學女作家、國際安徒生獎獲得者阿斯特麗德·林格倫在其名著《米歐，我的米歐》中描述的浪漫且神秘的「遙遠之國」一樣，是一個人類會無限接近，但永遠也無法到達的「美麗新世界」。
但即便如此，自從這一概念於十九世紀中葉首次出現以來，很多人終其一生的努力目標就是離它更近一點。這看起來是一場堂吉訶德式（崇高但無實際意義）的追尋，但實際情況並非如此。
今年是首個與絕對零度有關的諾貝爾物理學獎被授予100周年，自此，絕對零度就像諾貝爾獎的催化劑一樣—科學家們在追尋絕對零度的過程中，做出的很多美麗的意外發現多次摘得諾貝爾獎的桂冠。例如，華裔物理學家朱棣文曾因發明了雷射冷卻和磁阱技術製冷法而與另兩位科學家分享了1997年的諾貝爾物理學獎。2001年的諾貝爾物理學獎由因發現了「鹼金屬原子稀薄氣體的玻色-愛因斯坦凝聚」這一新的物質狀態的德國科學家沃爾夫岡·克特勒摘得等等，不一而足。
在邁向絕對零度的過程中取得的每個進步，都展示出了一些別樣的、獨一無二的美麗和有序；催生出一批工程上的奇蹟；強化了我們對一些基本科學概念的理解，尤其是對溫度和物質概念本身的理解。
絕對溫度之下：萬籟俱寂
對溫度的熟視無睹會使我們很容易忽略這一概念常常會給我們帶來多大的驚喜。早期的自然哲學家，比如義大利物理學家、天文學家、哲學家、近代實驗科學的先驅者伽利略·伽利雷，英國物理學家、數學家、天文學家艾薩克·牛頓，英國化學家羅伯特·波義耳將熱看成是名為熱質（caloric）的液體，這一說法的影響可謂十分深遠——直到今天，我們仍然說熱「流」。而另外一些哲學家則認為，冷是由一些「致冷原子」造成的。
以前，人們希望能可靠地測量熱和溫度的諸多嘗試大多以失敗告終。早期最有用的溫度計依靠液體受熱會膨脹的原理來工作。少量液體被局限在一個玻璃燈泡或狹窄的玻璃管內，人們首先將兩種固定情況下（比如暴露在沸水或正在融化的冰中），液面所在的位置標示出來，未知的溫度（熱度）則用這兩個固定點之間某個刻度來表示。問題在於，這一測量方法會導致「第22條軍規」的出現：溫度計標示刻度的前提是，液體在不同的溫度下，都以同樣的方式膨脹，但如果不測量液體隨溫度的膨脹情況，就無法對這一假設的真偽進行驗證，而要進行這種測量，就必須要有一支溫度計。
這種情況直到19世紀40年代才發生改變。法國化學家、物理學家亨利·維克託·勒尼奧進行了一個精巧的實驗，他用一支溫度計對一個密閉容器內乾燥氣體在壓力下的變化進行了測量，從而建立了一套可靠的可重複性的溫度讀數。對於科學界和工業界來說，這不啻為一個福音，但是，這仍然沒有真正解釋清楚，我們究竟在測量什麼。
早期人們使用多種刻度來標註溫度，關於溫度的這種困惑由此可見一斑。有些標記直到今天我們仍然在使用，比如使用水的不同屬性來校準溫度的攝氏度和華氏度。
攝氏度是目前使用比較廣泛的一種溫標，它由18世紀瑞典天文學家安德斯·攝爾修斯提出。攝爾修斯把一個大氣壓下水的沸點定為零度，冰點定為一百度，其間分成一百等分，一等分為一度。但在使用中，人們感到很不方便，因此，攝爾維斯第二年把該溫度表的刻度值顛倒過來使用。又隔兩年，瑞典著名博物學家林耐也使用了這種把刻度顛倒過來的溫度表。這種溫度表仍然稱為攝氏溫標（又叫百分溫標）。後人為了紀念安德斯·攝爾修斯，用他的名字第一個字母「C」來表示。
華氏度是以其發明者德國人加布裡埃爾·華倫海特的名字來命名的。1714年，華倫海特發現，液體金屬水銀比酒精更適宜製造溫度計，因此，他以水銀為測溫介質，發明了玻璃水銀溫度計，並選取氯化銨和冰水混合物的溫度為溫度計的零度，人體溫度為溫度計的100度，他把水銀溫度計從0度到100度按水銀的體積膨脹距離分成100份，每一份為1華氏度，記作「1℉」。
歷史的車輪行進到19世紀晚期，英國物理學家威廉·湯姆森，也就是後來的開爾文勳爵首先想到，我們或許可以使用一套不依賴任何物質屬性的絕對溫度標記來測量溫度。開爾文勳爵建立的新溫度標度稱為絕對溫標，它的量度單位稱為開爾文（K）。這種標度的分度距離同攝氏溫標的分度距離相同。它的零度即可能的最低溫度相當於攝氏零下273度（精確數為-273.15℃），被稱為絕對零度。
但是，開爾文勳爵開出的這個「秘方」只適用於理想氣體，因此，在熱力學形成後，人們發現絕對溫標有更深刻的物理意義，特別是開爾文論證了絕對零度不可達到後，科學家們便將絕對溫標改稱為熱力學溫度（溫標），並用開爾文（Kelvin）第一個字母K為其單位。
曾幾何時，那些偉大的名垂青史的科學先驅們竟然不理解萬事萬物都由原子組成，這真讓人難以想像，但這的確是事實。只有理解了萬事萬物都由原子組成這一點，溫度的本質才水落石出。熱是原子運動產生的動能，溫度是對原子運動速度的衡量，更精確來說，溫度測量的是分子平均運動速度的平方。在日常生活中，當我們感受到某個物質的溫度時，就學院派的觀點而言，我們正在感覺的是物質的「躁動」。
一旦我們接受物體中的分子在不斷抖動這一觀念，絕對零度的定義也就呼之欲出：它就是讓原子完全靜止的溫度。接下來的問題是：在什麼溫度下會發生這種情況呢？
線索來自那些行家裡手。17世紀，法國的一位樂器製造者紀堯姆·阿蒙東發現，將密封在瓶中的一定體積的空氣溫度降低，瓶中的氣壓也會隨之降低。他由此推斷溫度降得越低，氣壓就會越小，最終會在某個溫度下完全消失—我們現在認為，這一溫度大約為零下300攝氏度。後來，隨著人們對理想氣體的溫度和壓力的測量日益精確，人們發現，這一數值並不算太離譜。現在，絕對零度被定義為開爾文溫標下的零點，大約為-273.15攝氏度。
追尋絕對零度：永不落幕的故事
一旦我們釐清了絕對溫度真正的含義，到達絕對零度的馬拉松比賽的發令槍就真正打響了，那時是19世紀晚期。正如差不多同時上演的、前往地球上人煙罕至的南北兩極的競賽一樣，這也是前往未知的旅程。所不同的是，後者勝負已分，而對絕對零度的追尋將永不落幕。
為什麼這麼說呢？為了理解這一點，我們不妨想像一下冰箱的工作原理。冰箱的內壁會與更冷的物質（一般是一些不斷循環的製冷劑）接觸，這樣，熱量就不斷從冰箱內流入製冷劑，從而給冰箱內的物體降溫。同理，如果想要熱從你想要讓其達到絕對零度的物體那兒流出，那麼，製冷劑的溫度就必須低於絕對零度，但這是一項不可能完成的任務：你無法讓分子運動得比靜止還慢。你最多只能希望，它們儘可能接近靜止而已。
冰箱內的製冷劑通過膨脹來給冰箱降溫，在這一過程中，冰箱內的壓力會降低，因此，分子運動的平均速度會減少。最開始，人們也曾用同樣的技術來獲得更低的溫度。科學家們讓一種又一種氣體在壓力下冷卻，然後再讓它們快速膨脹，使氣體的溫度一次比一次低，科學家們甚至也會讓氣體凝聚，從氣態變成液態。
在這樣日復一日氣體溫度不斷降低的過程中，日曆翻到了19世紀70年代末，法國人路易斯·保羅·卡耶泰用讓氣體不斷膨脹的方法在零下183℃得到了液態氧，接著，在零下196℃得到了液態氮。但是，在他的時代，沒有人會預想到這兩種物質在20世紀會變得如此「遍地開花」。要是讓當時的人們對這兩種物質的用途進行預測，「消疣除痣」和「瞬間製冰淇淋」絕不可能榜上有名。
隨後，1898年，蘇格蘭人詹姆斯·杜瓦在零下250℃得到了液態氫之後，就只剩下氦氣還未被徵服了。氦原子之間的相互作用力非常微弱，這就使它成為最難被凝聚的氣體。但不管怎樣，讓氦原子最終變成液體的無數努力和天才設想最終還是有了回報：1908年7月10日，荷蘭萊頓大學的海克·卡末林·昂內斯實現了4.2K的低溫，首次獲得了幾立方釐米液態氦。
超低溫下的美麗新世界
液氦成為通向全新的物理世界的一把鑰匙。就在獲得液氦之後不久，昂內斯就發現，在極低的溫度下，有些金屬會變身為超導體。冷卻到特定的臨界溫度之下，這些金屬的電阻會陡然下降至少15個數量級，幾乎與零無異。諾貝爾獎委員會沒花多長時間就認識到了昂內斯工作的重要性，1913年，將諾貝爾獎授予了他。儘管超導技術迄今還沒有像人們曾經希望的那樣隨處可見，但是，它已經出現在了核磁共振成像儀的磁鐵裡；位於瑞士日內瓦郊外的大型強子對撞機（LHC）中的功能超強的磁鐵裡也有它的「倩影」，正是藉助這一磁鐵的威力，科學家們才能將質子束約束在LHC的環形軌道中。
然而，最讓人驚嘆的低溫現象或許還不是超導，而是在液氦誕生的那天，發生在昂內斯眼前的那一幕。透過密封隔離的玻璃容器內的小縫隙，他窺見幾乎完全透明的液體在翻滾。本來，將液面上的液氦蒸汽從容器中吸出，可以將運行速度最快的液氦分子移出容器，從而進一步給液氦降溫，但實際情況卻是液氦反而沸騰得更加劇烈了。
但接下來，當溫度降低到一定程度（我們現在知道是2.17K）時，翻滾的氣泡突然停止了翻滾，液氦變得如死一般安靜。數年之後，答案才揭曉。原來，部分液氦突然進入到了一個全新的狀態：超流體，這是一種可以完全無阻礙地流動且能完美導熱的狀態。不管何時，只要部分液氦變得更熱並開始形成氣泡，超流體都會在氣泡形成之前將熱帶走。
超流體是超低溫下具有奇特性質的理想流體，即流體內部完全沒有粘滯。超流體和超導體都是超低溫現象，但超流體所需的溫度比超導還低。
超流體其中一個重要的應用是稀釋致冷機。超流氦-4也已成功用作化學領域光譜分析技術的量子溶劑。超流體亦用於高精度儀器，如陀螺儀；它還可以量度一些理論預測的引力效應。另外，2002年，德國科學家實現，銣原子氣體超流體態與絕緣態可逆轉換，科技界認為該成果將在量子計算機研究方面帶來重大突破。
而且，美國麻省理工學院的物理學家在劍橋發現一種新物質態：超流氣體。這種物質是50nK（納開，十億分之一開爾文）的鋰-6。此外，2004年，美國賓州州立大學的物理學家發現了超固體，當氦-4在高壓冷凍到2K以下，超流體便相變成超固體。它亦可以零粘度流動。
更令人驚異的發現接踵而至。氦原子通常包含有兩個中子、兩個質子，因此，最常見的氦原子一般為氦-4，然而，還有一種比氦-4罕見數千倍的同位素氦-3，其只有一個中子。這些更輕的氦-3中子會在3.2K而非4.2K凝結，而且，一旦被液化，兩者的行為迥然不同，例如，氦-3的黏性不僅沒有減弱，反而會變得更強。
誰能想到，僅僅一個中子之差就會讓一種液體的物理屬性發生如此巨大的變化？但它們並非罕見的現象，而是在我們的生活中隨處可見，只不過我們的肉眼凡胎，沒有意識到普通物質本身是多麼令人驚奇而已。
「幕後黑手」：量子力學
這些貌似怪異的行為背後存在著一個普遍的真理，那就是，我們所身處的世界是一個由量子力學所支配的世界。只有當低溫讓這些隨機波動減少之後，這一點才水落石出。例如，我們看到，氦原子之間的相互作用如此微弱，導致量子機制讓這些氦原子不用麻煩地四處「跳來跳去」就可以交換位置。這種量子交換使這兩種氦能在能達到的最低溫度下保持液態。實際上，計算表明，在標準大氣壓下，氦即使在絕對零度下也會保持液態。
了解量子現象正是人們繼續追尋絕對零度的理由之一。氦-3和氦-4在液態下的不同屬性成為我們繼續探索的墊腳石。在名為稀釋制冷機的設備內，氦-4的超流態會讓液態氦-3表現得像氣體一樣，有效地蒸發進氦-4組成的「真空」內，從而使整個裝置的溫度下降到0.001K，也就是1毫開爾文（mK）。在這一溫度下，氦-3本身也變成了超流體，但其擁有磁性。
如果冷卻到0.001K算很困難，那麼，繼續朝下冷卻則「難於上青天」。所有物質的導熱率都會隨著溫度的下降而陡降，這意味著，溫度越低，將熱量從某種物質中移走需要更長的時間。與此同時，在低溫下，所有物質的熱容量（單位質量該物質吸收或放出熱量引起溫度升高或降低時，溫度每升高1K所吸收的熱量或每降低1K所放出的熱量）會變得微乎其微，因此，任何用來研究物質的實驗都需要將該物質加熱。假如像一隻蝴蝶那樣輕的一個物體從10釐米高的地方落下，落在一塊1平方釐米、溫度為0.001K的銅上，撞擊產生的能量足以讓銅塊的溫度上升100倍。
還好我們有一些變通的方法，至少對少量的物質能起作用。對於那些只包含數十億個原子的氣團，我們可以採用逐個冷卻的辦法。雷射光子會同每個原子相互撞擊，帶走動能並讓原子的速度慢慢降下來。這種方法的原理仍然是使用一種物體帶走另一種物體的熱量，只不過現在使用的製冷劑更複雜一些而已。使用這一方法，我們能將原子的運動速度從1毫開爾文時的1米/秒降低到1nK時的1毫米/秒。
這一奇思妙想給我們的回報是，我們能排除混亂的熱力學幹擾，探究在量子力學的支配下物質的「一舉一動」。我們知道，從本質上來說，超導是一種量子現象，但是，在花費了數十億美元之後，我們仍然對某些超導體在130K以上溫度下的行為一無所知。通過製造出一些可控性更好的量子系統，我們就可以使用一團超冷的原子氣團，通過使用雷射脈衝來探索和刺激原子之間的相互作用，來調查這種現象。
我們還能用無與倫比的超冷物質的純量子支配環境來模擬中子星內部的極端環境、基本粒子之間的相互作用以及宇宙誕生伊始的相變。在低溫下，電子之間的相互作用會製造出元激發（有時候我們也將其稱為準粒子），其質量可達自由電子質量的數千倍，剛好同在自由空間內通過與希格斯場相互作用從而獲得質量的基本粒子的質量相當。同樣的，超導體內的準粒子元激發最近被證明其行為類似於馬約拉納費米子。科學家們很早就預言了馬約拉納費米子的存在，其反粒子就是自己本身。
此刻，我們還看不到這些實驗獲得的結果有何直接用途。但是，有了上個世紀的前車之鑑，我們最好還是不要妄下斷言。
據英國《自然》雜誌網站2012年2月28日報導，荷蘭代爾夫特理工大學的科學家李·考文霍夫在美國物理學會於當天舉辦的年度大會上發表演講時表示，他們或許已製造出了神秘莫測的馬約拉納費米子，這一粒子有望在讓傳統計算機相形見絀的量子計算中用來形成穩定的比特。如果研究結果獲得證實，那將是物理學領域的重大突破。強大的量子計算機的實現，或許有賴於我們對低溫下物質複雜性質的掌握。
儘管此前已有其他團隊報告過馬約拉納費米子在固體物質中「現身」的間接證據，但哈佛大學的物理學家傑·叟聽了考文霍夫的演講後表示，這是一個直接的測量，叟說：「我認為這是迄今最富成效的實驗，很難認為這不是馬約拉納費米子。不過，考文霍夫製造出的這些粒子是否足夠『長壽』用來做量子比特還有待進一步的研究。」
如果最新研究結果經得起檢驗，將不僅率先製造出馬約拉納費米子，更是固體物理學領域的重大進步。人們認為，至今還沒有被直接觀測到的中性微子可能組成了宇宙中大多數甚至全部的暗物質，其可能是一種馬約拉納費米子。
儘管昂內絲已經將我們帶到了4.2k，但100年過去了，我們仍然在攻克絕對零度的最後一個堡壘，結果似乎有點差強人意。不過，我們不應該只盯著溫度不放，而是應該看到1K和1毫k之間、1毫K和1微K之間、1微K和1納K之間數千倍的差別會產生什麼後果。
其實，科學家們每次獲得更低的溫度，都像是在為自然界這所大房子消除噪音，讓我們能更安靜地聆聽自然的低語。如果我們繼續冷卻下去，我們能在一個更加精微的新尺度上探索原子間的相互作用。即使到了1納K，距離底部仍然有很大的空間，隨後，我們會降到皮K（pK，10-12K），飛K（fK，10-15K），直至無窮。而此前曲折離奇的經驗提醒我們，接下來會發生什麼，無人知道。