我們的宇宙中充斥著各種不能打破的基本界限。比如像其中最有名的一條：有質(zhì)量的物質(zhì)的速度不能超過光速，差不多是 3×10⁸米/秒 。當(dāng)然還不止這些，普朗克長度是最小可能的長度，數(shù)值是 1.616 x10^-35米 ，普朗克時間是最小可能的時間：10^-44秒 ；而可以存在的最冷的溫度是絕對零“度”（開爾文，溫度的單位），也就是 -273.15℃（攝氏度）、或是 -459.67℉（華氏度）。-273℃ 比起前面那些數(shù)字來說看起來不算很小，難道偌大的宇宙中就不存在某個小角落的地方低于這個溫度了嗎？

在可知宇宙中，最低的溫度就存在于這個地球上的某個實(shí)驗(yàn)室中；而且就像其他基本界限一樣，達(dá)到0K的溫度，在理論上——而不是技術(shù)上，不可能發(fā)生。目前，我們可以不斷降低所能達(dá)到的最低溫度、到十億分之一開爾文甚至更小，但卻永遠(yuǎn)不能達(dá)到0K。

解釋原因前，我們先說說什么是溫度。

當(dāng)我們通過觸摸感覺到冷或者熱的時候，微觀層面發(fā)生了什么呢？

所有的分子、原子、質(zhì)子或者電子都有一個本征振動，這個本征振動也叫作動能，可以輻射熱。粒子運(yùn)動得越快，物質(zhì)也就越溫暖。當(dāng)你滴一滴墨水在一壺水中，墨水均勻地擴(kuò)散開來，你便會發(fā)現(xiàn)這壺水也承載著如此多分子的運(yùn)動。振動得快的粒子相比振動較慢的粒子來說，在你的皮膚上會撞擊得更厲害。理論上，絕對零度是一個所有運(yùn)動、也就是所有熱，全部都不存在的狀態(tài)。

但是量子力學(xué)否定了這種情況存在的可能。

除了溫度外，粒子的動能還決定了物質(zhì)的性質(zhì)。相比于液體來說，固體中的粒子振動更輕微，但它們?nèi)匀皇钦駝拥臓顟B(tài)——即使是在冰涼的鐵塊中，單個的鐵原子也是在它的固定結(jié)構(gòu)內(nèi)振動的。

加熱冰塊時，水中的分子會獲得能量，并從晶體結(jié)構(gòu)中脫離出來（成為液體）；繼續(xù)加熱液體水時，水分子可以獲得更多的動能逃逸出來成為蒸汽（氣體）；當(dāng)電子脫離原子，物質(zhì)便會離化成等離子體，這種狀態(tài)可以在宇宙星體中發(fā)現(xiàn)。

此外，物質(zhì)還有第五種狀態(tài)——玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，由一團(tuán)降溫到非常接近零度而幾乎不運(yùn)動的原子組成；這時，這些原子達(dá)到了相同的能量狀態(tài)從而表現(xiàn)得像一個原子。當(dāng)所有原子到同一個量子態(tài)時，相互之間不可分辨，它們便會遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計規(guī)律，適用于包括光子在內(nèi)的不可分辨的粒子。在這種狀態(tài)下，我們會觀測到超流、超導(dǎo)、無電阻這類令人驚奇的現(xiàn)象。

將原子冷卻至一個臨界值以下時會發(fā)生一個現(xiàn)象——超導(dǎo)。比如當(dāng)溫度低于 -196℃ 時，某些金屬的電阻會降低為零：電子會在介質(zhì)中流動形成在一個循環(huán)中沒有衰減的電流。

通常情況下，電子形成電流后往往受到阻礙。導(dǎo)電介質(zhì)的內(nèi)部原子排列成晶格，會進(jìn)行無規(guī)則的熱運(yùn)動；晶格中的原子釋放電子給電流后帶正電，吸引電子從旁邊翻滾而過。就像平面上摩擦力對滑塊的作用一樣，這樣的阻礙（表現(xiàn)為電阻）會損失電流的能量，當(dāng)溫度降低時，導(dǎo)體的電阻會明顯降低。

但是當(dāng)超導(dǎo)發(fā)生時，現(xiàn)象會完全不同：當(dāng)某材料達(dá)到一定的冷度時，它的電阻會立即完全消失。電流中的電子為了立刻沖到終點(diǎn)，它們會結(jié)合成對——當(dāng)一個電子從晶格中流過時，會引起周圍帶正電的原子向其彎曲，反過來將吸引鄰近的電子與之結(jié)合，兩個電子緊鎖在一起后，便在晶格中肆意穿梭，不會損失能量。這樣的電子對只能在超導(dǎo)臨界溫度以下的時候形成，一旦超過這個溫度，熱量就足以將它們分開。

普通的超導(dǎo)體只能工作在極低的溫度下，需要非常昂貴的液氦來實(shí)現(xiàn)。超導(dǎo)一般會在非常復(fù)雜和昂貴的設(shè)備上應(yīng)用，比如像醫(yī)用核磁共振成像（MRI）中。但什么時候、是否能走進(jìn)我們的日常生活卻很難說。埃隆·馬斯克的超級運(yùn)輸裝置 hyperloop 中就將會應(yīng)用到兩塊超導(dǎo)磁鐵。

1980年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)某些特殊的陶瓷會在很高的溫度就可以轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)狀態(tài)，只需要再前進(jìn)小小的一步，這個技術(shù)就可以變得非常有用。新的超導(dǎo)體的工作溫度可以高達(dá) -135℃ ，雖然還是很低，但是可以利用更便宜、易獲得的液氮實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，室溫下超導(dǎo)仍是科學(xué)家追求的終極目標(biāo)。

但即使是在超導(dǎo)或是玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)下，原子依然在緩慢運(yùn)動。理論上，如果我們繼續(xù)給物質(zhì)降溫，會存在一個原子不再振動的點(diǎn)，這個點(diǎn)的溫度值不同于熔點(diǎn)或是沸點(diǎn)，它對于所有的材料是一致的，那就是 0K 。也就是說，對于宇宙中所有的元素，化合物、或是分子，給它們建立一個溫度-振動相關(guān)的表格，對應(yīng)于 100%、75%、50%、25% 等等只要是 0 以上的振動，不同材料的溫度都是不同的；但是 0 振動對于所有物質(zhì)都是一樣的，它們有共同的定義—— 0開爾文，我們不可能達(dá)到的狀態(tài)。

實(shí)際上，這種極限狀態(tài)（玻色愛因斯坦凝聚態(tài)）的振動還會輻射出紅外波。紅外波來源于熱輻射，所以所有溫度不為零的物體都會輻射出紅外波，包括我們覺得已經(jīng)很冷的冰塊，也會產(chǎn)生紅外輻射；溫度沒有高到產(chǎn)生可見光程度的物體，都在進(jìn)行著紅外輻射。物體溫度越高，輻射的紅外波越多——這就是夜視儀的原理，因?yàn)榧t外輻射是我們的“本征光”——除非它的溫度是 0K。

紅外熱成像：不同的顏色對應(yīng)不同溫度

宇宙中的所有物質(zhì)都在輻射著能量，或多、或少，但一定會存在，這源于所有基本粒子的振動。高溫即高振動頻率，低溫即低振動頻率，阻止這樣的振動是不可能的。

在我們了解為什么不能使粒子停止振動前，我們需要區(qū)分溫度和熱能之間的一個重要的區(qū)別。

你有沒有疑惑過，為什么把手放入200℃的爐子里的傷害相比于放入100℃沸水中的溫度要?。窟@是因?yàn)榧词範(fàn)t子里的溫度很高，但熱能卻比沸水的要低。物體的熱能除了與溫度有關(guān)外，還與包含的粒子數(shù)量和密度有關(guān)，爐子中單個粒子相比于沸水中具有更高的能量，但每秒撞擊你皮膚的水分子數(shù)量卻遠(yuǎn)大于爐子中的粒子，也就攜帶了更高的能量。溫度表現(xiàn)的是分子的平均動能，而熱能反應(yīng)了物質(zhì)所有粒子動能的總和，所以一座冰山比一杯咖啡具有的熱能更高。

爐子中的空氣雖然比鍋中的沸水溫度更高，但是水的能量密度更大，攜帶的熱量更多

我們現(xiàn)在知道了，熱不過是一些原子和分子本征振動的結(jié)果，這意味著其實(shí)“冷”不算是一個物質(zhì)的性質(zhì)，只是反映了物質(zhì)的熱比較少而已。

我們可以通過對一個封閉的系統(tǒng)（體積和壓強(qiáng)不變）增加能量來使其溫度升高，只要我們有充足的能量就可以一直如此。理論上溫度不存在上限。反過來，當(dāng)我們需要給一個系統(tǒng)降溫時，我們就需要從中“拿走”能量，直到某點(diǎn)系統(tǒng)沒有剩余能量。這一點(diǎn)就是絕對零度點(diǎn)。

如何取走物體的熱量呢？最簡單的方式是在旁邊放一個更冷的物體。熱力學(xué)第三定律說明，熱量總是從溫度更高的物體流向溫度更低的物體。舉個例子，廚房的臺面上放置著相對更熱的平底鍋，那么平底鍋就會加熱臺面，而不是臺面加熱平底鍋。熱量從不會流向更熱的物體——除非我們使用能量來完成這一過程。這就是冰箱的功能。冰箱內(nèi)的空氣要比食物更冷來從中獲得能量，當(dāng)運(yùn)動得較快的食物粒子撞擊空氣中較慢的粒子時，它們之間交換了一些動量和能量，食物粒子的運(yùn)動會減慢變涼而空氣粒子會運(yùn)動更快而變熱，空氣的熱會在冰箱背面釋放，這也是為什么冰箱背面通常是燙的，這些熱量部分來源于你的食物。

但當(dāng)我們想用這個方式把物體的溫度降至最低時，問題就出現(xiàn)了，如果沒有更冷的東西了怎么辦呢？宇宙中不存在沒有運(yùn)動和熱能的地方，因?yàn)樗倳膭e處吸收熱量。如果某純凈物質(zhì)的每一個原子都完全保持在它所在的晶體結(jié)構(gòu)上，那么它可以達(dá)到理論上的絕對零度，此時其熵為零。

熵的定義之一，是將其描述為物質(zhì)中互相擁擠的原子和分子可能排布的數(shù)量，或是說混亂程度（randomness）。由于物質(zhì)這樣隨機(jī)和不可預(yù)測的內(nèi)在性質(zhì)，能量的轉(zhuǎn)化并不是完全有效的，熵決定了一部分能量不能“有用”。不過在絕對冷時，分子會停止隨機(jī)振動，能量的流向會消失，也就不會有相應(yīng)激發(fā)的分子。熱力學(xué)第三定律的關(guān)鍵在于，當(dāng)一個完美、純凈的晶體的溫度降低為零時，其熵也就隨之為零。一個幾近穩(wěn)定、惰性的物質(zhì)的混亂度也會消退。

但量子力學(xué)不允許混亂度或是熵為零——但可以極其接近零，比如超導(dǎo)狀態(tài)下的原子的熵。

除了熱量傳遞這種方式，溫度也可以通過壓強(qiáng)和溫度控制：提高壓強(qiáng)和降低體積都可以使溫度升高。我們先假設(shè)已經(jīng)有降溫至 1K 的氦氣了。除了尋找溫度更低的介質(zhì)來抽走能量，我們還可以通過使其膨脹來降溫。這個過程正發(fā)生在可知宇宙中最冷的地方——旋鏢星云（Boomerang Nebula），這個星云的溫度是 1K 。星云中的氣體通過極快的速度解釋了為何其變得如此之冷。

距離地球五千光年外的旋鏢星云

最近，MIT和CERN實(shí)驗(yàn)室正在嘗試?yán)梦覀兦懊嫣岬竭^的激光來將納米尺度的物體降溫到最低，此時物質(zhì)是以玻色愛因斯坦凝聚狀態(tài)存在的。這可能是整個地球甚至是可知宇宙中最低的溫度——零上十億分之一開爾文。根據(jù)量子力學(xué)理論，將其降為 0K 需要無窮多的能量來完成。

海森堡不確定性原理說明：一個物體的位置和動量不能同時被精確確定，即使理論上也不可以。但當(dāng)一個粒子停止運(yùn)動時，我們便會知道其準(zhǔn)確的位置和狀態(tài)，這是不被量子力學(xué)原理所允許的，同時反過來，這也證明了絕對零度不可能被實(shí)現(xiàn)。