撰文 | 海伦·切尔斯基

南极高原的秋天静谧而安宁。北半球正沐浴在夏日的阳光中，南极大陆却被极夜的黑暗笼罩。在横贯这片高原的高山上，长达数月的极夜才刚刚开始。这里几乎没有雪花飘落，但地表的冰层厚度仍然达到了600米。这里的天气格外平静，来自大地的热量不断流失到星夜之中，没有任何阳光来弥补损失的能量。热量的入不敷出带来了超乎想象的低温，在这片高海拔山区，冬季气温时常徘徊在-80°C左右。2010年8月10日，某一片山麓的气温甚至下降到了-93.2°C，这是地球上有记录可查的最低气温。

雪花由细小的冰晶组成，而组成冰晶的是排列整齐的原子，这些原子会在原地振动，振动和能量、温度息息相关。如果要问最冷的冰有多冷，这里可以给出一个直白的答案：所有原子都静止不动的时候，物质就达到了最低温度。

要知道，至少在我们这颗星球上，即便是在没有光也没有生命的极寒之地，原子依然在发生微弱的振动。整个南极高原都由颤动的原子组成，如果将这里的温度提升到0°C，那么需要让现有能量翻倍。如果你设法剥夺一切能量，原子就会达到最低温度，也就是“绝对零度”，即-273.15°C。在这个温度下，无论周围是什么条件，任何原子都会彻底停止运动，也不再拥有任何能量。与绝对零度相比，哪怕是地球上最冷的南极洲之冬也相当温暖了。

不过，让原子彻底停止运动其实非常困难。你必须花费很多心思来确保周围的任何物体都不会传来能量，有一点差池就会前功尽弃。尽管如此，仍有科学家殚精竭虑，想尽一切办法消除物质中蕴含的能量。这些科学家研究的是低温物理学，这并不像听上去那样没有实用性，医学成像技术的发展就得益于这类研究。

大多数人哪怕只是想一想极低的温度也会觉得很不舒服，看着鸭子赤脚在冰水里游来游去，你不免总会有几分困惑。

温切斯特是英格兰南部一座可爱的小城，城里有一座古老的大教堂，还有几家正宗的英式茶馆。漂亮盘子里装着分量十足的司康饼。夏天，五彩缤纷的花朵和蔚蓝如洗的天空将小城装点得像明信片一样漂亮。有一年，我和一位朋友在飘雪的冬日去了一趟温切斯特，结果发现了更加美妙的东西。我们把自己裹得严严实实，沿街一路向前，最后走到了一条小河边。河畔无人沾染的雪地仿佛两条洁白的毯子。在温切斯特，我最喜欢的不是那些石头建筑，也不是亚瑟王的传说，更不是司康饼。在那个冰寒彻骨的冬天，我执意拽着朋友去看的东西其实再平凡不过：我想看的是河里的鸭子。我们沿着河边小道在雪中艰难地走了一小段路，终于看到了此行的目标。

就在我们到达的时候，正好有一只鸭子摇摇摆摆地走过河边最后一段冰面，义无反顾地跳进了水里。然后它和周围的所有同伴一样，开始迎着流淌的河水，一边飞快地划动脚掌，一边低头在水中寻找食物。这一段河道相当狭窄，河水流速很快。鸭子在水下不深的地方就可以找到食物，但必须全力划水才能停留在原地进食。温切斯特的小河就是鸭子的跑步机，它们对这个游戏乐此不疲。所有鸭子面朝同一个方向不断划动脚掌，仿佛永远都不会停止。

我们旁边的一个小女孩低头看了看自己被雪覆盖的靴子，然后指着站在岸边冰面上的鸭子，问了妈妈一个特别棒的问题：“它的脚为什么不会冷呢？”妈妈没有来得及回答，因为就在那一刻，真正精彩的一幕出现了。一只鸭子不小心游得离同伴太近，由此引发了一场混乱。两只鸭子嘎嘎乱叫，拍打着翅膀，激得水花四溅。有趣的是，混乱让这两只鸭子都忘了划水，所以它们双双被河水冲往下游。几秒钟后，它们突然发现自己漂远了，于是这两只鸭子又迅速忘记了彼此的恩怨，开始奋力划水、逆流而上，试图回到刚才的位置。这耗费了它们不少时间。

河水的温度几近冰点，但这些鸭子似乎一点也不觉得冷。在那冰冷的水面下，鸭子拥有脚部保暖的独门秘方。要解决的关键问题关乎热的传递。如果你把高温物体放在低温物体旁边，那么高温物体中运动速度较快、携带能量较多的分子或原子必然会冲撞低温物体的分子或原子，从而将能量传给后者。于是，能量总是从高温物体向低温物体流动，一边是迟缓的微粒，一边是活跃的微粒，显然后者更容易感染和带动前者。

一般而言，如果不同温度的物体靠在一起，那么它们的温度最终会变得一样，这也是一种平衡。说到鸭子，我们首先要了解流经它们脚部的血液，这些血液来自鸭子的心脏。作为身体的核心，鸭子心脏的温度大约是40°C。当盛着温暖血液的脚丫进入近乎冰点的河水时，二者之间的温差会让血液失去能量。变凉的血液继续在身体里循环，必然和鸭子的整个身体产生温差，于是整只鸭子的温度都会下降。鸭子可以略微限制流向脚部的血量，但这不能彻底解决问题。实际上它们运用的是一条更加简单的法则：两件相互接触的物体温差越大，高温物体向低温物体散失能量的速度就越快。换句话说，两件物体的温差越小，能量的流动就越慢。这才是鸭子真正的秘诀。

鸭子快速划动脚掌的时候，温暖的血液沿着它的双腿动脉向下流动，动脉旁边就是静脉，后者负责把变凉的血液送回心脏。显然，温暖血液中的分子会碰撞动脉壁，动脉壁分子又会碰撞静脉壁分子。最终，能量从动脉血传往相邻的静脉血。流向鸭子脚部的动脉血会变凉一点，而流回心脏的静脉血又会变热一点。

沿着鸭腿继续往下，静脉和动脉的整体温度都会下降，但动脉还是要比静脉暖和一点。因此，在整个脚丫的任何一段，动脉血总会温暖相邻的静脉血。来自鸭子躯干的温度并不会只顺着动脉往下送，这些血液在输送的过程中一直在将自己的能量分给旁边的静脉血。等到动脉血最终到达带蹼的鸭脚时，它的温度已经变得跟水温差不多了。鸭脚并不比河水暖和多少，所以它损失的能量也极其有限。而静脉血在向上流动的过程中则不断吸收来自动脉的能量。这个过程叫作逆流热交换，这种方式可以最大限度地减少能量的损失。只要鸭子能确保能量不流向脚掌，那么它的脚自然就不会成为能量散失的黑洞。鸭子之所以能够愉快地站在冰面上，正是因为它们的脚掌本身就是冷的。而且它们对此毫不在意。

动物王国中有不少物种独立演化出了类似的策略。海豚、海龟尾巴和鳍足里的血管也采取了相似的排列方式，所以它们在冷水中游动时也能有效维持体温。北极狐体内也是这种机制。这些狐狸的爪子需要直接接触冰雪，但它们仍能保证体内关键器官的温度。这种方法非常简单，却又十分有效。

我和我的朋友没有这些动物的本领，所以我们只在雪地里待了一小会儿。我们又看了另外几场争斗。表达了对这些鸭子的羡慕之后，我们就回去吃司康饼了。

作者简介

海伦·切尔斯基（Helen Czerski），剑桥大学物理学博士，伦敦大学学院物理学家，研究海洋泡沫和气候变化。

（本文经授权摘编自北京联合出版公司·未读探索家出版的《茶杯里的风暴：用日常之物揭开万物之理》（2018年9月，[英]海伦·切尔斯基/著，阳曦/译）第六章《鸭子为什么不会脚冷——原子之舞》。点击阅读原文购买《茶杯里的风暴》。）

文章头图及封面图片来源：Elena G on Unsplash