量子
科学家揭开分子永动之谜
从温度到量子力学的不确定性原理，科学家解释为何即使冷却到极致，分子仍微微颤动。
我们的身体无时无刻不在动，哪怕我们浑然不觉。地球在摇晃的轨道上绕着太阳转，脚下的板块缓缓漂移，连呼吸、心跳、翻身都像一场永不停歇的交响乐。这热闹一直深入到生命的基石——分子。它们由共享电子的原子组成，像被弹簧连在一起，热量越多，抖得越欢。虽说分子无生命可言，可即使科学家使出浑身解数想让它们停下来，它们还是不肯歇着。为什么呢？要解开这谜团，咱们得先聊聊温度，再一头扎进量子物理的奇妙深渊。
日常里，寒风刺骨让人哆嗦，热茶温暖唇边，温度对我们来说常是舒适与否的标尺。可在微观世界，温度其实是分子或粒子平均动能的体现。它们越热，蹦跶得越厉害。那要让它们停下来，是不是把热量全抽走，达到绝对零度(0开尔文)就行了？想法挺美，可现实没这么简单。Justin Caram，UCLA的化学副教授，在电话里告诉我：“你永远没法完全把分子和环境隔绝开。”它们总在和空气里的其他分子碰撞，或者吸收光再吐出来，跟周围打得火热。Caram说，科学家能把东西冷到几乎不动，定义这就是超低温，可量子力学的原则偏偏不让它们彻底静止。
这又是为啥？A. F. J. Levi，南加州大学的工程与物理学教授，在邮件里给出了答案，还顺便说这问题“看似简单，实则不然”。他说，观察本身就会搅局，想测分子温度时，仪器和分子一碰，温度就变了。更玄的是量子力学里的不确定性原理。Levi解释，分子运动分两部分：整体的质心运动和原子间的相对抖动。因为原子靠键连着，总有个最低能量状态，叫“基态”。量子力学的数学告诉我们，位置和动量不能同时精确测定。换句话说，想 pinpoint 一个分子的位置，就得给它点动量，让它动起来。
这话初听有点晕，我又给Caram打了电话。他用化学入门课的口吻讲了海森堡不确定性原理：“简单说，位置和动量不能一块儿测准。更确切点，是它们根本不能同时存在。”为啥？因为量子理论里，所有东西在细看时都是波，连粒子也不例外。我在电话里开始胡思乱想，Caram安慰道：“这就是量子力学让人抓狂的地方。物质得用波来描述，怪吧？咱俩光想想没啥意义，可数学和实验都证明它是对的。”
我问他会不会常想身体里分子永动的场景，他笑说尽量不去想：“老想着身体里乱七八糟的动静怪吓人的。我也不知道咋回答，就觉得别想太多，不然会担心‘万一停了咋办’。”好吧，哲学先放一边，这事儿还跟量子计算有点联系。Caram在UCLA的研究就包括设计尽量不动的分子。他说，虽然完全停不下来，但把分子慢下来、控制住状态，就能优化量子算法，让量子计算机跑得更好。
人类已经很擅长“降速”了。Caram提到，地球上有些实验室比深空还冷。深空有微波背景辐射，温度约2.7开尔文，而2021年德国科学家在不莱梅大学的坠塔里，用真空困住铷原子，模拟零重力，把温度降到38万亿分之一开尔文，持续了几秒。这比宇宙任何角落都冷。可宇宙本身也在冷却。Caram聊起大爆炸理论，说宇宙生来带能量，热量通过环境交换慢慢散开。他半开玩笑地说，从无限时间看，随着宇宙膨胀，一切会越来越慢，走向“热寂”。不过他让我别慌，今天有更要紧的事操心。
从大爆炸那“最初一脚”起，一切都在散开，地球上的生命却格外活跃。Caram说：“我们现在就像个极端波动，东西动得稍微多点，复杂性就出来了。但永远停不了，因为真停不下来。”所以，分子永动，既是量子怪圈，也是宇宙活力的见证。
本文译自 Popular Science，由 BALI 编辑发布。
