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……
-273.15℃,是寒冷的极致-273.15℃,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。
我们有时会说“绝对零度”,而不是-273.15℃。事实上,它们是同一个意思。为了方便,物理学家使用的温标和我们使用的不一样。他们较喜欢使用以一位英国物理学家开尔文命名的“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(开氏温标),而0℃相当于273.15开。
一个名叫纪尧姆·阿蒙东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℃左右。
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。当我们把温度降到-273.15℃时,原子们都静了下来。科学家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℃的冰块做例子,你还能把它再降个十几摄氏度吗?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。
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,仅剩的那一点儿只够维持它自身的存在。它唯一能做的是接受热量,也就是回暖。
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状态。气体和金属会变成超流体或超导体,并且表现得十分怪异……
想象中,我们将前往约-270℃的深寒世界。在那里,我们和一种液体有约,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,如天外来客般令人匪夷所思。1937年,当人们首次观察到这种现象时,竟然找不到合适的语汇来形容它。物理学家彼得·卡皮查不得不为此发明一个新词:超流体。
超流体令人印象最深刻的,是它“穿墙而过”的能力。这种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。超流体的黏度为零,因此没有任何力量可以阻止它运动。
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失掉。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,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。
冷冻,为了复活? 美国的一些机构如阿尔科生命延续基金会或者人体冷冻研究所,最近20多年一直在向客户提供特殊服务:只要医生作出死亡鉴定,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。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。
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……最大的一次成功是在2005年,诞生在美国人格雷戈里·梅伊的实验室里。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。
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。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。
(赵绢摘自《齐鲁晚报》,高兴奇图)
