为什么宇宙最低温只有-273℃，而最高温却高达1.4亿亿亿亿℃？

01
人类对于探索宇宙，就像在触摸一只巨象的高高的脚趾。
我们从脚趾的底部开始探索，这个位置被定义为0m。
由于我们靠近地面，得出我们距地面约为-273.15m。
我们如同象脚下的蚂蚁，无法脱离巨象，因此也无法跨越这个-273.15m的距离到达地面。

抬头望天，我们通常只能摸索到几千米高的地方，但我们会用粒子对撞机甩“石头”。
我们所能甩到的最高位置约为10^12米。
然而， 我们发现，所谓的巨象高度远超我们的想象，我们只能推测其高度为1.4×10^32米。
如果这个推测正确，那么它的高度是我们所能触及的最高高度的10^20倍，即一万亿亿倍。

对于人类而言，这个“巨象”实在是太高了。
因此，我们觉得天空太高或脚下太低，仅仅是因为我们不过处在象脚趾下方罢了。

02
假设有一种在宇宙大爆炸初期存在的“太初生命”，他们活动的温度为10^30K。
他们将温度定义为ζ，自然而然地认为10^30K是0ζ，就像人类最初定义水的三相点为0℃一样。
当物质内部的粒子热运动增加时，ζ会上升；当粒子热运动减少时，ζ会下降。

经过研究，太初生命发现宇宙的最高温度仅为100ζ，而最低温度则为负的百万亿亿亿ζ。
总结来说，无论是上限的普朗克温度（T=1.4×10^32K），还是下限的绝对零度，人类都无法真正到达。
尽管人类已非常接近绝对零度，但只能无限逼近而无法真正达到。

大部分物质的固态、液态、气态温度都在几千度以下，高于这个温度，物质会等离子化。
人类所依赖的水，其三相点温度仅为273.16K。
这就决定了人类的认知范围主要局限在这一温度区间。
相对于整个宇宙温度范围的10^32K，这区间显得极为“低温”。

03
任何空间中必然存在能量和热量，并且不断进行相互转换、守恒且不消失。
因此，真正的绝对零度是不存在的，除非该空间从一开始就没有任何能量和热量。
在这样一个空间中，所有物质完全没有粒子振动，其总体积为零。
虽然绝对零度无法达到，但可以无限接近。
那么，接近绝对零度会发生什么呢？

当物质接近绝对零度时，可以初步观察热德布洛伊波长。
定义如下：

其中，h为普朗克常数，m为粒子质量，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。
由此可见， 热德布洛伊波长与绝对温度的平方根成反比。
因此，当温度极低时，粒子物质波的波长会很长，粒子与粒子之间的物质波会有很大的重叠，因而量子力学的效应会变得显著。

爱因斯坦推测， 随着玻色子的冷却到非常低的温度，它们会“聚集”到能量最低的可能量子态中，形成一种新的相态，这就是玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate）。

玻色-爱因斯坦凝聚是玻色子原子在接近绝对零度时所呈现的一种气态的、超流体的物质状态。
在1995年，麻省理工学院的沃夫冈·凯特利和科罗拉多大学鲍尔德分校的埃里克·康奈尔与卡尔·威曼使用气态的铷原子，在170 nK（1.7×10^−7 K）的低温下，首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚。
在这种状态下，几乎所有原子都聚集到能量最低的量子态，形成一个宏观的量子状态。

铷原子速度的分布，证实了玻色-爱因斯坦凝聚的存在，图中的颜色显示不同速度下的原子数量。
红色表示速度为该值的原子数量较少，白色则表示数量较多。
最低速度显示为白色或浅蓝色。

因此，当达到绝对零度时，粒子的物质波会达到无限长度，也就是说波动性会消失，所有粒子的特性逐渐融合为一个整体，微观的量子态变成了宏观的量子态。
对于绝对零度下的相变现象，被称为量子相变，而玻色-爱因斯坦凝聚便是一种量子相变。

04
1938年，彼得·卡皮查、约翰·艾伦和冬·麦色纳（Don Misener）发现氦-4在降温到2.2 K时会成为一种名为超流体的新液态状态。
超流氦具有许多极不寻常的特征，例如它的黏度为零，旋涡是量子化的，很快人们就认识到，超液体的原因是玻色-爱因斯坦凝聚。

当量子液体温度低于某临界转变温度时，会变为超流体。
超流体的特点是完全缺乏黏性。
如果将超流体置于环状容器中，由于没有摩擦力，它可以永无止尽地流动。
它能以零阻力通过微管，甚至能从碗中向上“爬”出而逃逸。

利用玻色-爱因斯坦凝聚的超流体，可以制造液态光。
一般来说，凝聚的折射率非常小，因为它的密度比普通固体小得多。
但是，使用激光可以改变玻色-爱因斯坦凝聚原子的状态，使它对某些频率的光有很高的折射率，这样光速在凝聚内部的速度就会骤降，甚至降到每秒几米。

自转的玻色-爱因斯坦凝聚可以作为黑洞的模型，入射的光线不会逃离。
凝聚也可以用来“冻结”光，这样被“冻结”的光在凝聚分解时又会被释放出来。

量子力学中的粒子大致分为两类，除了玻色子外，还有费米子。
接近绝对零度时，玻色子会聚集在一起，而费米子则会互相排斥。

组成世界的两大基本粒子，左为玻色子，右为费米子

然而，科学家也发现了费米子的凝聚态。
费米凝聚（Fermionic condensate）是由大量费米子占据同一量子态形成的。
由于泡利不相容原理，不同的费米子不能占据同一量子态，因此费米子不能像玻色子那样直接形成玻色-爱因斯坦凝聚态。
但是，科学家通过使两个费米子结合形成具有玻色子性质的“费米子对”，即库柏对，使费米子对凝聚成为费米凝聚。

05
关于低温纪录：1926年达到0.71K；1933年达到0.27K；1957年达到0.00002K。
2003年9月12日，通过在实验室内用光子精准轰击原子，让原子动能接近零，达到了只比绝对零度高0.5nk（0.5×10^-9K）的温度。
布莫让星云是人类目前所知的宇宙中最低温的区域，温度为零下272度。

至于高温，虽然人类已能够制造数万亿K的高温，但只是在瞬间产生，甚至无法研究高温下物质的状态。
此前提到过，人类所达到的最高温度仅是宇宙最高温的万亿亿分之一，相差甚远。
这个差距大约相当于人类速度与光速的差距。

不过，也正是由于我们能够甩“石头”到数万亿K的高温，代表着我们发射的粒子速度越来越快了。

-完-