地球南极的最低温度是零下54度,普通生物在这里难以生存。冥王星的地表温度为零下200度,这颗星球上的空气被全部冻结。
距离地球5000光年的布莫让星云,温度低至零下272度,是已知外太空最冷的地方。不过这仍然不是宇宙可以达到的最低温度。
宇宙最冷的地方,曾在美国桑迪亚国家实验室,物理学家们让温度达到了零下272.59度,它曾是已知宇宙的最低温度。
那么这种超低温是如何获得的呢?科学家从微观世界给出了答案,宇宙万物都是由粒子组成的,它们时时刻刻都在做无规律的运动,速度越快,该物体的温度也就越高。
当物体的粒子彻底静止时,它的温度会下降到一个极限值。也就是零下273.15摄氏度。
但绝对零度是不可能达到的。
因为运动是物体的普遍属性,绝对静止的物体至今还没被发现,只能无限接近绝对零度。
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现代实用制冷技术一般可以分成三大类,第一类是基于气体动力学,将热量持续地从低温端抽出,比如用电冰箱冷冻储存食物,或者用空调制冷降温,这些制冷需要用压缩机实现。
第二类是利用某些化学和物理现象,例如热电效应、顺磁效应、隧穿效应。比如某款饮水机采用电子制冷,基本原理就是温差热电效应。
最后一类是直接采用低温剂制冷,比如往啤酒里丢冰块。
液氮制冷剂技术一般根据需要采用不同的制冷手段,自从空气液化技术和杜瓦技术成熟后,将氮气液化作为制冷剂,成为一种非常便捷实用的制冷技术。
加上氮气是空气中的主要成分,液氮目前的成本已经比矿泉水还便宜。而且氮气有化学惰性,可以直接和生物组织接触,就算立即冰冻也不会破坏生物活性。
在中科院物理所的科技开放日上,有一个网红科学小实验,把活体小金鱼放入液氮冻成冰疙瘩,然后放入常温的水中解冻,这条小鱼立刻就恢复了活力。
所以液氮的用途十分广泛,它可以迅速冷冻食品,比如我国进口的马来西亚榴莲,还可以保存活体组织,比如生物样品以及精子和卵子的储存,甚至还可以治疗一些皮肤病,其原理是利用低温迅速杀死病区细胞。
液氮技术用于人体冷冻。詹姆斯·贝福德是上个世纪中期的美国首富,但是不幸患上了癌症,他认为癌症在未来是可以被治愈的。
恰好当时有一位电工名叫罗伯特·艾廷格,正在研究液氮冷冻技术,这给贝福德带来了希望。
他给这位电工赞助了10万美元,并和艾廷格签下冷冻自己的协议,并约定在50年后再解冻,利用现代科学技术将自己复活。
1967年,贝福德病逝于癌症,艾廷格如约对他进行了冷冻,不过如今已过去54年,贝福德依旧被冰封在铁盒子里。
现在的科学技术无法让人死而复生,癌症依旧是困扰人类的疾病,而且液氮只有零下196度,细胞分子在这个温度下仍会缓慢运动。
有运动就代表生命在随时间流逝,除非把温度降低到绝对零度,才有机会把生命彻底冻住,甚至冻住时间。
液氢、液氖、液氦虽然绝对零度只存在于理论中,但是人类在这半个世纪以来,一直在低温技术领域追求极致,早期冷媒用得较多的除了氮气,还用到了氢气、氖气和氦气。
如今液氢和液氖已退出了制冷剂的舞台,毕竟这两气体实在过于危险。
就拿氢来说,氢有着极为活泼的化学属性,可以说是一点就燃一燃就炸,氢在常温下遇到一点火星,就会发生反应并释放热量。
1936年3月4日,德国兴登堡号飞艇正式运营,它是世界最大的氢气飞艇,长约245米重约110吨,内部有16个巨型氢气囊,可以连续在空中飞行200个小时。
1937年5月6日,兴登堡号飞往美国新泽西州,在着陆过程中突然起火爆炸,飞艇坠落后被完全烧毁,最终造成97名乘客和35名机组人员遇难。
整个过程不到一分钟,事后调查表明,恶劣天气导致飞艇外皮存在静电,电火花将漏气的飞艇引爆。
科学家经过实验测定,氢气的爆炸极限宽到让人绝望,在空气里的浓度达到4%到98%之间
遇火都会发生爆炸,所以各位家长千万不要让小朋友玩氢气球。
兴登堡号事件后,人们不但对飞艇失去了兴趣,也慢慢退出了制冷剂领域,液氮和液氦是目前最主要的制冷剂,液氦是制造超低温的神器。
它可以达到零下253度,至零下271度的制冷范围,当温度低至零下271度时,液氦将变成超流氦,出现液氦沿着杯壁流出杯子外的奇特现象。
那么追求极限低温有什么作用呢?在日常生活上用不上超低温制冷技术,但它能推动许多科技的进步,包括材料科学研究、粒子物理和凝聚态物理,甚至是天文学上都能发挥作用。
而它在商业领域的最大用途,就是冷却量子计算机的芯片,量子计算机依靠量子叠加态作为运算基础,能实现体积缩小和算力的爆炸式提升,它必将成为人类最强大的计算机。
2019年12月,美国商务部一份文件指出,未来将限制出口稀释制冷机,给美国在量子计算机领域的竞争对手,这其中就包括中国。
稀释制冷机一旦被限制,对量子计算机的研究,中国将会面临重大挑战。
稀释制冷技术它是目前能实现mk级制冷的三大方式之一,除此之外还有绝热去磁制冷和吸附制冷,其中只有稀释制冷机能达到10mk以下的制冷。
所以它已经成为量子计算机的标配,想要研制量子计算机,就必须先设计一套制冷设备,给量子芯片冷却降温。
我国虽然在量子计算机的理论领域是领先的,但是不突破稀释制冷技术,始终面临被卡脖子的风险。
在上个世纪70年代,我国物理学家冉启泽研制出湿式稀释制冷机,但遗憾的是,此后再无人从事相关研究,我国长时间处于技术断层和研究空白,所需的稀释制冷机全靠从欧美进口。
为了摆脱欧美的技术垄断和封锁,我国必须突破稀释制冷机技术,终于在2015年,中科院首次实现了零下253度的超低温,不过这只是欧洲20多年前的技术,要突破就要来个彻底突破。
今年7月,中科院再次取得重大成果,其自主研发的无液氦稀释制冷机,达到了零下273.1391度低温,仅仅比绝对零度高出0.01度,甚至打破了美国保持的世界纪录。
21世纪虽然大体上是和平的,但是在科技领域的竞争从没有停止过,从光伏产业到新能源汽车,从芯片制造再到量子计算机,我们的科技工作者都在努力走出属于自己的路。
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