在接近絕對零度的情況下會發生一些量子效應，如超導性、超流動性和玻色-愛因斯坦凝聚。

溫度是我們測量物質中粒子動能的方法。粒子振動越快，溫度就越高；當粒子振動減慢時，溫度就會下降。從邏輯上講，一旦原子完全停止振動，那就是最冷的時刻，它的溫度為絕對零度。但這是在經典力學的框架內進行的推論。

在20世紀初，物理學家發現這些理論不再足以描述和預測在最小尺度上發生的事情。他們轉而深入到基本粒子和量子力學的世界，旨在描述物質和能量在最基本層面上是如何表現。量子物理學告訴我們，即使達到可能的最低溫度，粒子仍將始終具有一些無法消除的動能。

這源自海森堡不確定性原理，該原理指出，永遠無法完全確定任何給定粒子的動量和位置。例如，如果嘗試測量粒子的動量，那么就無法完全確定其位置。反過來，如果測量它的位置，那么就無法完全確定它的動量。因此，即使在最低能量狀態下，粒子也總是會輕微振動。

物理學家一直在向低溫挑戰，他們已經成功地將物質冷卻到只有38皮開爾文。挑戰最低溫度的想法可以追溯到1600年代，那時科學家們就已經掌握了計算絕對零溫度的方法，他們也一直在嘗試將材料冷卻到盡可能接近這一點。

到1845 年，邁克爾·法拉第 （Michael Faraday） 成功冷卻并找到了當時大多數已知氣體液化的溫度。例如，氯在-34°C時液化，在-101°C時凍結。利用當時可用的技術，法拉第設法達到-130°C的溫度。

但這還不夠冷，不足以液化氧氣、氮氣和氫氣等氣體。這些氣體只有在高壓和極低的溫度下才會液化。氮氣于1877年首次液化，溫度為-195°C。氧氣于1883 年液化，溫度為-218°C。氫氣于1898 年首次液化，溫度為 -249°C。

荷蘭物理學家海克·卡默林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）于1908 年第一個在僅4.15開爾文下成功液化氦氣。通過降低液氦的壓力，他將其進一步冷卻至僅1.5 開爾文。這是當時地球上達到的最低溫度，昂內斯也在這極低的溫度下對某些材料進行了實驗，并在此過程中發現了超導性 。這是一個重要的科學里程碑，昂內斯也因其工作而于1913年獲得了諾貝爾獎。

超導性的巧妙之處在于，它是一種量子效應，只有在極低的溫度下才會變得明顯。在沒有很大電阻的普通良導體中，攜帶電能的電子流動得很好，但它們仍然會因材料中的雜質和缺陷以及材料的振動而損失的能量。現在，如果你讓某些材料足夠冷，電子就會開始發生一些奇怪的事情。

它們開始以某種方式耦合在一起，使它們可以在材料中自由移動。因此它們不會相互碰撞，也不會分散， 所以材料就會變得超導。只有當材料中的顆粒振動不太大時，這才有可能實現，這就是為什么材料必須如此冷的原因。

通過超導線環的電流基本上可以在沒有任何電源的情況下永遠流動，因為它永遠不會損失任何能量。現在，由于閉合電路會形成磁場，因此只要能保持足夠冷，該磁場就會成為永久性的。超導磁體有很多應用，但最著名的可能是醫院的MRI機器，它使用液氦來冷卻超導線圈以產生強磁場，從而生成人體的高對比度圖像。

對超導性的研究仍在進行中，事實證明某些材料在稍高的溫度下也可以變得超導。使用液氮將材料冷卻至僅 90 開爾文要實用得多，而且便宜得多。科學家們仍在尋找能夠在更合理的溫度下實現超導的材料。這項研究的目標是室溫下的超導體，這將使它們比我們現在擁有的任何東西都更加節能。

超導體的另一個特性是它可以排斥任何外部磁場，因此可以讓磁鐵這樣的外來磁場漂浮在超導材料上方，這在磁懸浮列車的構造中很有應用。

還有一種相關的量子效應也發生在接近絕對零的情況下，那就是超流動性。超流體似乎打破了我們所知的物理定律，如果您將其留在開放的容器中，它會慢慢地爬過邊緣并泄漏，它還會從容器中微小的裂縫中滲透出來。如果你攪拌它，它基本上會永遠保持旋轉，只要你能保持材料足夠冷。

這是因為超流體的粘度為零，無論您將其放在什么環境中，它都不會與任何其他材料發生摩擦，并且它與自身也不會發生摩擦。普通的液體，比如水，確實會爬上它所在的杯壁，但如果你不去管它，它與容器及其本身的摩擦使它能很好地保持在原處。

超流動性是一種非常特殊的現象，我們在液氦中發現了它。氦非常特別，因為它基本上永遠不會凍結。在正常大氣壓下，將其冷卻至4開爾文會使其液化。當我們繼續降低溫度直至接近絕對零度時，它都一直保持液態。從技術上講，我們可以通過對氦施加很大的壓力來使其凝固。

自然界中氦最常見的形式是氦 4，其核心由兩個質子和兩個中子組成，兩個電子環繞核心。由于氦 4 的特殊性質，如果將其一直冷卻到4 開爾文，所有氦 4 原子都會落入相同的低能狀態，并且它們都會開始以相同的方式運行。它們不再相互碰撞，并且一致移動，如果您攪拌它，它就會永遠旋轉。這是完全令人驚奇的，因為這是一種我們只用眼睛就能看到的量子效應，即使它需要非常特定的環境。

還有另一種量子效應也與超流性和超導性密切相關，因此也需要極低的溫度，那就是玻色-愛因斯坦凝聚。但首先，您還需要了解一些有關量子物理學的知識。

在經典力學中，我們喜歡將粒子想象成彼此相互作用的小球。但在量子物理學中，由于不確定性原理，不可能知道粒子的所有屬性，它的真實位置永遠無法百分百確定，因此最好的方法是將其想象為云或一個具有自己能量特性的概率波。

因此，如果我們將氣體云中的原子冷卻到納開爾文，它們的能量開始接近最低點，這些小波包會變得更大，波長也會變得更長。在大約50納開爾文時，這些波開始重疊并相互混合，并且它們開始表現得就像一個大原子一樣。需要明確的是，它們并沒有變成固體，只是所有這些原子都失去了各自的能量特性，它們凝聚成這個單一的集體量子波。

玻色-愛因斯坦凝聚實際上是一種不同于固體、液體、氣體和等離子體的物質狀態，但它可能只能在實驗室中實現，因此非常脆弱。與極冷環境之外的任何物體的任何相互作用都會破壞它并將其變回正常氣體。

玻色-愛因斯坦凝聚態是阿爾伯特·愛因斯坦在1920年代根據印度物理學家玻色的工作預測出來的。直到 1995 年，由物理學家埃里克·康奈爾 （Eric Cornell） 和卡爾·維曼 （Carl Wieman） 領導的一群科學家才創造出了這種奇特的物質狀態。他們與德國物理學家沃爾夫岡·凱特爾 （Wolfgang Kettelre） 一起獲得了 2001 年諾貝爾獎，后者在第一個玻色-愛因斯坦凝聚體制成后幾個月也制造出了玻色-愛因斯坦凝聚體。對此的研究對于幫助我們更好地理解量子物理學很重要，它可能有助于發展納米技術和量子技術，以及研究黑洞和中子星的性質和行為。

審核編輯：黃飛