溫度的下限只有-273.15℃,上限卻高達1.4億億億億度?


溫度的下限只有-273.15℃,上限卻高達1.4億億億億度?的頭圖

溫度的下限只有-273.15℃,上限卻高達1.4億億億億度?

在物理學中,絕對零度指的是-273.15℃,同時也是現有理論中“溫度的下限”。

近幾個世紀以來,無數科學家都想人工產生絕對零度,但就像人類無法真正達到光速,只能無限接近它一樣,向絕對零度發起的一次次沖鋒,也只是把小數點往後推了幾位而已。

隨著和絕對零度的距離越來越近,物理學家們衝刺的腳步也被迫放緩了下來,最近一次朝絕對零度發起的“短距衝刺”,是中國科學院物理研究所的無液氦稀釋製冷機完成的,創造了10mK(絕對零度以上0.01度)以下的極低溫運行記錄。

這麼低的溫度有什麼用?

依託於科技的進步,現如今向絕對零度發起的衝刺,已經不再是過去那樣單純為了數值。我國此次研製的無液氦稀釋製冷機,未來在凝聚態物理,材料科學,甚至是天文學上都能發揮作用。而它在商業領域的最大用途,就是冷卻量子計算機的芯片,讓其能長期保持量子態而不發熱,最終完成計算過程。

量子計算機作為人類目前理論中最強大的計算機,擁有傳統結構計算機無法比擬的優勢,儘管目前量子計算機還只能在特定問題上碾壓傳統超算,但隨著量子技術的不斷進步,尤其是製冷和散熱技術的進步,未來以量子疊加態為運算基礎的量子計算機,必將實現體積的縮小和算力的爆炸式躍升,就像當年佔地幾百平方米,重達上百噸的原始計算機,逐漸演化成今天人們掌中的手機一樣。

告別卡脖子

如今各國想要研製量子計算機,就必須想辦法給滿負荷運轉的量子芯片降溫,而這種降溫設備和技術以往被西方國家把持著,因此他們才會先搞出量子計算機。我國研製量子計算機用的稀釋製冷機之前完全依賴進口,屬於和高端芯片一樣被卡脖子的技術。

中科院物理所在6月24日晚,讓自主研發的無液氦稀釋製冷機原型機,成功實現了10.9mK(零下273.1391度,即絕對零度以上0.0109度)的穩定運行,這意味著穩定低溫製冷技術從此被我國攻克,而我國目前已經研製出的“九章”量子計算機,未來也將藉助這些新的製冷設備,進一步增強性能。

溫度的本質

拋開日常生活中人體能感知到的溫度範圍不談,在物理學上溫度的下限是0k,也就是-273.15℃,被稱為絕對零度。

溫度的上限是1.416808(33)×10^32K,也就是1.4億億億億攝氏度,被稱為普朗克溫度。

下限代表所有微觀粒子都停止運動,上限代表所有微觀粒子都以光速運動。

但不論是上限還是下限,人類科學家都無法實現。

宇宙的底線

因為根據量子力學相關的理論,具備量子態的微觀粒子們一直處在”概率雲“的狀態中,無法被精確定位和操控,所以想讓所有微觀粒子都停止運動是不可能的,絕對零度也因此無法實現。

作為宇宙中速度的上限,靜止質量不為0的物體在向光速逼近的過程中,自身質量會膨脹成無限大,而後就需要無限大的能量去推動它,進一步向光速逼近,但無限能量很明顯是不存在的,所以具備靜止質量的粒子們,只能無限接近光速而不能達到光速。因為無法達到光速,所以和”最高溫度“也就無緣了。

迄今為止,代表溫度上限的普朗克溫度只在一個時刻出現過,那就是138.2億年前宇宙大爆炸的那一瞬間,之後隨著宇宙的暴漲和冷卻,普朗克溫度再也沒出現過。

人類文明一直在發現宇宙規律,並利用宇宙規律來改變宇宙本身,但絕對零度和普朗克溫度的存在,或許就代表宇宙的底線,人類只能在底線允許的範圍內”大展拳腳“,科技發展終究還是不能讓人類為所欲為。