Science Daily — 大多數人都聽過「絕對零度」這個名詞，它代表著一個可能存在的最低溫度，但這究竟是什麼意思呢？是表示真的冷到爆？還是只是表示我們所能量測到的最低溫度而已？如果有這樣的一個極限低溫存在，那麼有沒有與其相互對應的最高溫度存在呢？來自賓州大學的物理學家 Moses Chan 及 Evan Pugh 兩位教授將為您解答這一個溫度的量測問題。
圖1. 這幅圖像顯示的是銣原子速度的分佈，它證實了玻色-愛因斯坦凝聚的存在。圖中的顏色顯示多少原子處於這個速度上。紅色表示只有少數原子的速度是該速度。白色表示許多原子是這個速度。最低速度顯示白色或淺藍色。左圖：玻色-愛因斯坦凝聚出現前。中圖：玻色-愛因斯坦凝聚剛剛出現。右圖：幾乎所有剩餘的原子處於玻色-愛因斯坦凝聚狀態。由於不確定性原理尖部不是無窮窄：由於原子被束縛於一個很小的空間，它們的速度必須有一個很小的範圍。（Three images showing formation of a Bose-Einstein condensate of rubidium atoms. (Credit: NIST)）
「溫度就是一種量測系統的 “混亂” 或是 “混亂” 的程度，」Chan 這樣說到。「當系統冷卻到絕對零度時，系統就會變得井然有序，而且所有的組成 － 也就是分子與原子 － 就都會乖乖的待在原來的地方。這就是可能地最低溫度。」絕對零度也稱為 0 K（克爾文溫度，Kelvins），它相當於攝氏零下 273.16℃，或華氏零下 459.688℉。
圖2. 攝氏溫度與克爾文溫度的尺標。（The British mathematician and physicist William Thomson, or Lord Kelvin, went on to devise a new temperature scale for which absolute zero was identified as 0 degrees (0 K). The units, called Kelvins (K), were defined as identical to Celsius degrees (1 K = 1 °C). This is the Absolute or Kelvin temperature scale. 圖片來源：http://www.avogadro.co.uk/miscellany/t-and-p/t-and-p.htm）
早在量子力學尚未發展出來解釋原子與次原子顆粒的行為模型以前，科學家們認為在絕對零度時，所有的原子都會停止不動。然而，即便是在這個溫度下，原子與分子會因為存在著零點能量（zero-point energy），而使系統擁有最低的可能能量。Chan 解釋到，唯有在真空且空無一物的太空中，零點能量的形成才會被考慮到。當然，這往往也被稱為「基態（ground）」或「基本態（stationary）」，絕對零度也代表著一個穩定的狀態，在這狀態下不會有任何的能量進出發生。
「在低溫下，」Chan 接著說，「量子所發揮的效應主導著所有的要件。」在某些物質中，這個現象是相當壯觀的。如果在足夠的低溫下，比方說，有一些物質就會展現出超導（superconducting）的特性，此時所產生的電流可以在零電阻的狀況下傳遞。透過這種現象可以將其利用在一些高磁場的核磁共振 MRI 儀器中，以及超高效率的動力驅動裝置或變壓器。
另一個有趣的量子現象的例子可以在液態氦（liquid helium）中發現。當液態氦變成超流體（superfluid）時，溫度是低於 2.176K，Chan 補充到，它就會變得沒有摩擦力。沒有摩擦力也意味著超流體的黏度（viscosity）為零。如果在一個容器中滴入一滴旋轉的微滴，那麼就會一直維持旋轉的狀態直到永遠，當然前提是在真空下。對 Chan 而言，這就是巨觀量子現象的例子 － 在大尺度下的量子力學。
讓我們回到 1920 年，當時物理學家 Styendra Bose 與 Albert Einstein 提出一個假設，他們認為在非常低的溫度下時，如原子般的粒子會聚集成束，而且會確切的具有相同地最低能量之量子狀態。這就是目前眾所皆知的「Bose Einstein Condensate（玻色愛因斯坦凝聚）」。這一整群的粒子在這個狀態下的行為模式就會像是一顆單一的巨大分子。這個現象，Chan 補充到，在 1995 年時，在實驗室中藉著冷卻氣態銣原子到絕對溫度 50 奈克爾文（50 nanokelvins，也就是克氏溫標的十億分之一）時，就在這個溫度近乎於絕對零度時被觀察到了。也就因為如此，這兩位觀察到此現象的科學家，Carl Weiman 及 Eric Cornell 獲頒了諾貝爾物理獎的最高學術桂冠。
Chan 所帶領的研究團隊在 2004 年時，於超低溫研究領域中獲得了重要的突破。「我一位過去的學生，Eunseong Kim，發現到固態氦在溫度低於 0.2K 時也會具有類似超流體的性質，」他解釋到。「發現這個超固體相（supersolid phase）表示物質三態 － 氣態、液態與固態 － 均可以進行玻色愛因斯坦凝聚。」超固體現象使得全世界有關研究低溫現象的物理學家們倍感興趣。Chan 與他近期所指導的學生們 ─ Tony Clark，Xi Lin 及 Josh West ─ 將會繼續的去探討與理解這一個令人醉心的發現。
那麼，會有類似像絕對零度般的超高溫存在嗎？當物質變得非常炙熱時，粒子們將具有相當大量的熱能，Chan 說到。固體的容話語液體的氣化是因為它們的熱能超出了原子與分子之間彼此相互結合的力量。如果是在這麼高的溫度下，原子將會解離成電子與離子的電漿狀態，這又將是另一種狀態。如果持續有著更多的能量注入系統中，那麼系統的溫度將會繼續上升。
「就我們所理解的是在宇宙中有一個有限的總能量，因此會有一個可能地最高溫度。」Chan 說到。宇宙學家們提出一個假說，在「宇宙大爆炸」後大約 10 的負 43 次方秒時，那是一個難以想像的極短時間（If you were to take a trip to the farthest galaxy from Earth, 10-43 would represent the first billionth of a millimeter you traveled），在那剛誕生的新生宇宙的溫度是 1032 K。即使是在今日的太陽中心，溫度為 15,000,000℃，相較之下算是相當寒冷。
圖3. According to the Big Bang model, the universe developed from an extremely dense and hot state. Space itself has been expanding ever since, carrying galaxies (and all other matter) with it.（圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang）
圖4. A graphical representation of the expansion of the universe with the inflationary epoch represented as the dramatic expansion of the metric seen on the left. Image from WMAP press release, 2006.（圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang）
顯然的，我們無法充分使用宇宙中的所有能量，因此極限高溫是並不會存在的。那，我們有可能將另一個相對下的溫度 ─ 也就是絕對零度 － 加以實現嗎？「不可能！我們僅可以達到非常非常接近，但永遠無法得到絕對零度，」Chan 這樣說到。「有些實驗室，包括在賓州 David Weiss’s 實驗室，可以將氣體樣品冷卻到數個奈克爾文溫度或十億分之一度。但如果想要精益求精，那麼你必須克服許多的混亂與無序。當系統愈趨於絕對零度時，來自系統的混亂就會變得越來越難以移除。」
Note: This story has been adapted from a news release issued by Penn State.
原始報導：
ScienceDaily：Probing Question: Are There Upper And Lower Limits To Temperature?
相關連結：
1. Wiki 百科：玻色-愛因斯坦凝聚（Bose–Einstein condensate）
2. Bose–Einstein Condensate 動畫圖示
3. 科景：玻色愛因斯坦凝聚態的孤子現象
4. 科景：2001 諾貝爾物理獎－玻色愛因斯坦凝結