绝对零度的奥秘：物质到底能冷到多低？
你是否想过，如果你身处一个极其寒冷的地方，你的身体会发生什么变化？你的血液会不会凝固，你的心跳会不会停止，你的大脑会不会失去意识？或者，你是否想过，如果你能制造出一个极其寒冷的环境，你能用它做些什么有趣的事情？你能用它创造出一些奇妙的现象，你能用它探索一些未知的领域，你能用它实现一些不可能的任务？
这些问题都涉及到一个物理学上的概念，那就是绝对零度。绝对零度是物质的温度降到零开尔文（-273.15摄氏度或-459.67华氏度）的时候，这是温度的最低极限。在这个温度下，所有的原子运动都会停止，物质的热能也会消失。但是，科学家们一直在争论，是否有可能实现这样的极端冷却。
目前，人类创造的最低的温度是在2018年由美国麻省理工学院（MIT）的物理学家达成的，他们将一种叫做钠钾的合金冷却到了零下273.1499999999999摄氏度，也就是0.0000000000001开尔文，距离绝对零度只有一亿亿分之一开尔文。他们使用了一种叫做激光制冷的技术，通过照射激光束来抑制原子的运动，从而降低温度。他们的目的是为了研究超固态的性质，即一种既具有固体的刚性，又具有液体的流动性的奇特状态。
绝对零度是一个非常有趣的话题，它不仅涉及到物理学的基本原理，而且关系到人类的科学探索和技术发展。但是，绝对零度是一个无法解决的悖论。
绝对零度的概念最早是由英国物理学家威廉·汤姆森（后来被封为开尔文勋爵）在1848年发明的。他是根据法国物理学家夏尔的理论来提出一个绝对的温度刻度的。夏尔的观察显示，气体在0℃也能继续降温变冷（从而体积变小），温度每降低1℃，气体的体积就会减小1/273。夏尔的定律显示，在-273℃时，气体的体积将变为0。这种现象令那些不能理解气体的体积会变为零的科学家们困惑不解，或者说，当体积变为零时，气体到底发生了什么情况？
汤姆森给出了一个解释，他认为气体的温度是气体原子的动能的反应。温度降低时气体原子的活性减小，运动量减小，占有的空间减小，因此体积就减小。在-273℃时，每一个原子的能量为0，此时他们停止运动并实际上不占有体积，汤姆森认为这个理论适合于所有物质。汤姆森提出绝对温度的原因在于，他研究了卡诺-克莱珀龙理论时发现气体温度计只是提供了一种可操作的温度的定义，但是正如夏尔的理论所述，当温度低于0°后，气体温度计的示数还会继续缩小，这和惠更斯提出的以冰点0°为0点的理论是相互矛盾的，理论的0点，按照夏尔的理论，应该是-273°，这就需要提出一种新的温度的刻度，这种刻度的0点是摄氏度的-273°，这就是绝对零度。
绝对零度的概念虽然看似简单，但是却隐藏着一个深刻的物理难题，那就是绝对零度是否真的能够达到？根据一篇发表在《自然》杂志上的新研究，答案是不能。研究人员利用数学和量子力学的原理，证明了达到绝对零度是一个不可解决的悖论。他们的结论是，无论采用什么方法，都无法将任何物理系统的温度降到绝对零度，因为这样做会违反热力学的基本规律。
热力学是研究热能和其他形式能量之间转换的科学。热力学的第零定律定义了温度的概念，即两个处于热平衡的物体具有相同的温度。热力学的第一定律是能量守恒定律，即能量不能被创造或消灭，只能在不同的形式之间转换。热力学的第二定律是熵增加定律，即在一个封闭的系统中，无序的程度总是趋向于增加。热力学的第三定律是绝对零度定律，它有两种不同的表述方式。
第一种表述方式是，为了在一个物理系统中实现绝对零度，该系统的熵也必须达到零。当系统的温度降低时，它的微观状态的数量也会减少，因为系统的原子运动会变慢，从而减少了可能的排列方式。当系统的温度达到绝对零度时，它的微观状态的数量也会达到最小值，即一个，这意味着系统的熵为零。这个表述方式也被称为热力学第三定律的Nernst表述，因为它是由德国物理化学家瓦尔特·能斯特在1906年提出的。
第二种表述方式是，绝对零度是物理上无法达到的，因为没有一种方法可以使系统的熵降到零。这个表述方式也被称为热力学第三定律的不可达原理，它是由德国物理学家马克斯·普朗克在1912年提出的。普朗克认为，要使系统的熵降到零，就必须在有限的时间内完成无限多的步骤，这是不可能的。因此，绝对零度只是一个理想的极限，而不是一个实际的状态。
这两种表述方式看似相互矛盾，因为如果绝对零度是不可能的，那么熵为零的状态也是不可能的，反之亦然。为了解决这个悖论，研究人员使用了一种称为量子信息理论的数学工具，它是研究量子系统中信息的性质和处理的理论。他们证明了，如果一个系统的熵为零，那么它必须具有一种称为纯态的特殊性质，即它的量子状态可以被完全确定，而不是处于不确定的叠加状态。然而，他们也证明了，要将一个系统从任意的初始状态转换为纯态，需要消耗无穷大的能量，这是不可能的。因此，他们得出了一个一致的结论，即绝对零度和零熵状态都是不可能的。
这个结论不仅解决了一个长期的物理难题，而且对于低温物理学和量子计算等领域有重要的意义。
低温物理学是研究物质在极低温度下的性质和行为的学科，它涉及到超导、超流、量子霍尔效应等现象。超导材料中出现的最低的温度是在2015年由日本东北大学的物理学家发现的，他们在零下272.15摄氏度（1开尔文）的温度下，观察到了一种叫做氢化硫的化合物的超导性。
量子计算是利用量子力学的原理进行信息处理的技术，它有望实现比传统计算机更快更强大的计算能力。这些领域的研究都需要将系统的温度降低到接近绝对零度的程度，以减少噪声和干扰，从而保持系统的纯度和稳定性。然而，这项新研究表明，这样做是有极限的，因为绝对零度是一个不可达的目标。目前，量子计算机中运行的最低的温度是在2019年由谷歌的工程师实现的，他们在零下272.15摄氏度（1开尔文）的温度下，运行了一台叫做Sycamore的量子计算机，它拥有53个量子比特，可以在200秒内完成一个传统计算机需要10000年才能完成的任务。这被认为是量子计算的一个重大突破。
生物界中能够承受的最低的温度是由一种叫做水蚤的微小甲壳类动物创造的，它们可以在零下272.8摄氏度（0.3开尔文）的温度下存活。水蚤是一种广泛分布在淡水和海水中的浮游生物，它们的体长一般不超过2毫米，但是它们却有着惊人的抗寒能力。水蚤的抗寒秘诀是它们的体内含有一种叫做抗冻蛋白的物质，它可以防止水蚤的细胞被冰晶破坏，从而使水蚤在极低温下仍然保持活力。
化学反应中发生的最低的温度是在2017年由德国马普学会的化学家实现的，他们在零下272.15摄氏度（1开尔文）的温度下，观察到了氢分子和氟分子之间的反应。这是一种非常激烈的化学反应，它会产生大量的热能和光。然而，化学家们使用了一种叫做超流氦纳米滴的技术，将反应物分子包裹在一个超低温的液氦环境中，从而抑制了反应的热效应，使反应能够在极低温下进行。这种技术为研究低温化学反应的机理和动力学提供了一种新的方法。
虽然绝对零度是不可能的，但是科学家们并没有停止探索绝对零度的奥秘，以及利用低温物理学和量子计算的技术来创造一些新的可能性
在2018年，国际单位制（SI）的七个基本单位之一的开尔文（K）发生了变化，它不再是基于水的三相点（即水在固态、液态和气态之间转换的温度，约为273.16摄氏度或0.01开尔文）的定义，而是基于玻尔兹曼常数（k）的定义，它是一个描述温度和热能之间关系的物理常数。这样做的目的是为了让开尔文的定义更加精确和稳定，不受实验条件的影响。这也意味着绝对零度的定义也发生了变化，它不再是一个固定的温度值，而是一个温度的极限，即当玻尔兹曼常数为零时，温度也为零。
在2020年，美国哈佛大学的物理学家提出了一种新的实现绝对零度的方法，他们称之为量子制冷。他们的思路是利用量子纠缠的性质，即两个量子系统之间存在一种超越距离的联系，使得其中一个系统的状态会影响另一个系统的状态。他们认为，如果将一个量子系统和一个热库（即一个具有确定温度的大系统）进行纠缠，那么就可以通过测量热库的状态来决定量子系统的状态，从而使量子系统的温度降低到绝对零度。这种方法的优点是不需要任何外部的能量输入，也不受热力学第三定律的限制，但是它的难点是如何实现高效的量子纠缠和测量。
在2021年，中国科学院的物理学家在《自然》杂志上发表了一篇论文，他们利用绝对零度的概念，设计了一种新的量子密码系统，他们称之为绝对零度量子密钥分发（AZQKD）。他们的原理是利用量子力学的不确定性原理，即在绝对零度的情况下，量子系统的状态是完全不确定的，只有通过测量才能确定。他们认为，如果将一个量子系统作为密钥的载体，那么只有在绝对零度的情况下，才能保证密钥的安全性，因为任何未经授权的测量都会破坏量子系统的状态。这种方法的优点是可以实现无条件的安全性，也就是不依赖于任何数学或物理的假设，但是它的难点是如何实现绝对零度的环境和精确的量子控制。
绝对零度是一个充满了奥秘和挑战的领域，它不仅揭示了物质的本质和物理学的原理，而且开辟了科学和技术的新领域和新可能性。随着科学家们对绝对零度的理解和控制的不断深入和提高，我们有理由相信，绝对零度将会给我们带来更多的惊喜和收获，也许有一天，我们能够真正地触摸到绝对零度，或者用绝对零度来改变我们的世界。