立秋已過，但持續的高溫卻絲(si) 毫沒有減弱，每當這時大家都會(hui) “哪涼快哪呆著”。現代人可以躲在屋裏吹空調，古代君王往往選擇奔向各大避暑山莊等氣溫相對較低的地方。

地球上最冷的地方自然是冬季的南北兩(liang) 極，那你知道目前已知宇宙間最“涼快”的地方是哪裏嗎？那就是半人馬座的回力棒星雲(yun) ，這個(ge) 區域物質的溫度分布非常接近溫度中的絕對零度。

那麽(me) 什麽(me) 是絕對零度呢？它和我們(men) 常用的攝氏度之間有什麽(me) 關(guan) 係呢？人類又是怎樣發現絕對零度的呢？

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溫度的下限人類對溫度的認知，一開始的關(guan) 注點在於(yu) 水。17世紀荷蘭(lan) 物理學家惠更斯和英國物理學家胡克共同測定了水的冰點和沸點。

來源｜TekStream Blog

1742年，瑞典天文學家攝爾修斯規定，水的沸點溫度為(wei) 0，冰點為(wei) 100，中間等分成100份，於(yu) 是最早的攝氏溫標問世，用這套標準規定的溫度被稱為(wei) 攝氏度。

用水的冰點和沸點規定攝氏溫標

來源｜Mini Physics

讀到這裏小夥(huo) 伴們(men) 可能會(hui) 疑惑：不對啊，這咋和我們(men) 現在攝氏度的數值反著呢？明明冰的溫度更低，為(wei) 啥溫度的數值反而比沸水高啊？

這是因為(wei) 攝爾修斯生活在瑞典，如果按照現在的攝氏度來標定溫度，那麽(me) 一年裏很長時間內(nei) 瑞典的溫度都是負的，用起來很不方便。

於(yu) 是，生活在瑞典的攝爾修斯為(wei) 了避免溫度總是出現負值，就這樣規定了最早的攝氏度。

攝爾修斯：別問為(wei) 什麽(me) ，就是圖個(ge) 方便

來源｜維基百科

後來，攝氏度漸漸被普及，這期間攝氏度的定義(yi) 也被不斷地完善。人們(men) 考慮到了氣壓對水沸點和冰點的影響，並且將0度和100度的位置調換了過來，成為(wei) 了現在我們(men) 熟悉的攝氏溫標。

顯然，攝氏溫標的規定，主要是針對人類活動範圍內(nei) 大部分可以測到的溫度，很大程度上是出於(yu) 方便。

不過，自然界中的溫度是可以遠超出冰點和沸點的，但是溫度可以達到無限高或無限低嗎？如果存在溫度的極限，它們(men) 究竟在哪裏呢？

大約在1787年，法國物理學家查理在研究氣體(ti) 的恒壓膨脹問題時，發現了壓強一定時，氣體(ti) 的體(ti) 積會(hui) 受到溫度的影響。

不過，查理發現的這個(ge) 規律並沒有被發表，直到1802年，法國化學家蓋·呂薩克證明壓強不變時，任何氣體(ti) 當升高相同溫度時，體(ti) 積會(hui) 膨脹相同的比例，即任何氣體(ti) 都具有相同的熱膨脹係數。他用實驗揭示了定量氣體(ti) 在恒定壓強下，氣體(ti) 體(ti) 積與(yu) 溫度間的關(guan) 係。

蓋·呂薩克

來源｜維基百科

研究發現，氣體(ti) 在0℃也能繼續降溫變冷，溫度每降低1℃，氣體(ti) 的體(ti) 積就會(hui) 減小0℃時的1/273。

人們(men) 意識到，從(cong) 這個(ge) 看似尋常的結果中可以得到一個(ge) 不太尋常的推論：

如果恒壓下一直給氣體(ti) 降溫（假設能一直維持在氣體(ti) 的狀態不液化為(wei) 液體(ti) ），那麽(me) 當溫度下降到-273℃時，氣體(ti) 的體(ti) 積就會(hui) 減到0。這時如果繼續降溫會(hui) 發生什麽(me) 呢？體(ti) 積變為(wei) 負值嗎？似乎不太可能。

於(yu) 是，人們(men) 就大膽猜測，在-273℃時，氣體(ti) 的體(ti) 積將變為(wei) 0，不能再減小了，此時就達到了理論中的最低溫度。這便是人們(men) 對“最低溫度”最早的認識。

時間從(cong) 18世紀步入19世紀，溫度的本質漸漸被人們(men) 揭示。

以伯努利、羅蒙諾索夫、克勞修斯、麥克斯韋、玻爾茲(zi) 曼、威廉·湯姆森為(wei) 代表的科學家認為(wei) 溫度是分子運動的表現，分子運動越劇烈，平均動能越高，溫度就越高；分子運動越不劇烈，平均動能越低，溫度就越低。

要知道動能可是有下限的，最小值為(wei) 0，不可能出現負的動能，因此溫度也不可能無限地降低，一定存在某個(ge) 最小值。當分子的平均動能為(wei) 0時，意味著所有分子都停止了運動，此時溫度達到了最低點。

左為(wei) 攝氏度溫標，右為(wei) 開爾文溫標

來源｜Mini Physics

1848年，英國物理學家威廉·湯姆森發表了一篇題為(wei) 《關(guan) 於(yu) 一種絕對溫標》的文章，他將該溫標的0點規定在了溫度的最低值，大約在-273℃左右（沒錯就是在剛才的假想情形中，氣體(ti) 體(ti) 積為(wei) 0時的溫度）。

後來人們(men) 將這個(ge) 數精確到-273.15℃，這就是我們(men) 常說的絕對零度。絕對溫標就是以絕對零度作為(wei) 溫度的計算起點，即-273.15℃=0K。

絕對溫標最顯而易見的好處是不存在負值。此外，絕對溫標不依托於(yu) 具體(ti) 的物質，它沒有用水或任何物質來標定溫度，完全從(cong) 理論上給出了定義(yi) 。

之後湯姆森還在科學上取得了各類成就，獲得了英女皇授予開爾文勳爵銜，後世改稱他為(wei) 開爾文勳爵。

人們(men) 為(wei) 了紀念他，用他的稱號命名了絕對溫標的單位——開爾文（K）。

威廉·湯姆森：開爾文和我是同一個(ge) 人

來源｜維基百科

2

“絕對零度”能達到嗎？
如果溫度一旦達到絕對零度，氣體(ti) 體(ti) 積真的能變為(wei) 零嗎？或者說，絕對零度真的可以達到嗎？

按照開爾文的理論，在絕對零度下，分子將不殘留有任何一點點動能，這種難以想象的極端假設困擾著科學家們(men) ，沒有任何動能的原子會(hui) 存在嗎？此時的原子會(hui) 是什麽(me) 樣的狀態呢？

這個(ge) 問題困擾了人們(men) 很久，科學家漸漸認識到絕對零度似乎隻能接近，不能達到，可望而不可及。

終於(yu) 在1906年，答案揭曉。

德國物理學家能斯特在研究低溫化學反應時發現，當溫度不斷逼近絕對零度時，等溫過程和絕熱過程會(hui) “融為(wei) 一體(ti) ”，變成同一種過程。後來這個(ge) 規律被稱為(wei) 能斯特定理。

等等，節奏太快，等溫過程，絕熱過程都是啥？

在前麵我們(men) 已經認識了等壓過程，而等溫過程指的是在整個(ge) 過程中係統的溫度不變，而絕熱過程就是整個(ge) 過程中係統內(nei) 部和外部之間完全沒有熱量交換。

等溫和絕熱兩(liang) 種過程“融合為(wei) 一體(ti) ”？能斯特的發現的這個(ge) 結論已經十分匪夷所思，但是由能斯特定理得到推論更是讓人驚訝。由能斯特定理可以推出：不可能用有限的過程把溫度降到絕對零度，這條規律又被稱作熱力學第三定律。

能斯特：一不小心發現了溫度的下限

來源｜維基百科

就此關(guan) 於(yu) 絕對零度的種種猜想終於(yu) 有了定論，溫度的確存在下限，不可能無限地降低，這個(ge) 下限就是絕對零度。

3

低溫下的神奇現象
雖然絕對零度永遠不可能達到，但是這似乎並不妨礙人們(men) 對低溫極致的追求。這是因為(wei) 材料在接近絕對零度時會(hui) 顯現出一些奇異的性質，比如超導、超流體(ti) 就是在低溫下發現的。

目前已知宇宙的空間平均溫度為(wei) 2.74K，科學家觀測到在距離我們(men) 僅(jin) 僅(jin) 5000光年的半人馬座，存在一個(ge) 名為(wei) 回力棒的星雲(yun) ，它就是宇宙的極寒之地，溫度約為(wei) 1K，是目前已知宇宙中人類觀測到最冷的自然發生地點。

宇宙最冷之地 半人馬座回力棒星雲(yun)

來源｜NASA, ESA and The Hubble Heritage Team

但人類在地球上的製造的低溫甚至比這團星雲(yun) 更加接近絕對零度。麻省理工學院的研究人員在2003年，使用激光束減緩了鈉原子的速度，將其冷卻到絕對零度以上的十億(yi) 分之一度，但距離絕對零度也總是差那麽(me) 一點點距離。

人類關(guan) 於(yu) 絕對零度的研究還在不斷的深入中，相信未來的科學會(hui) 越來越發達，會(hui) 有發現更多的理論支撐我們(men) 對星辰大海的探索。

審核專(zhuan) 家：吳寶俊理論物理博士

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