在和人爭(zheng) 吵空調到底設26度還是27度的問題上，在運動過後從(cong) 小賣部買(mai) 的飲料是否夠冰的問題上，在手遊裏欣賞璃月港景色時手掌是否被“煎烤”的問題上，你會(hui) 驚奇的發現自己原來對區區幾度的變化那麽(me) 敏感。 

然而，如果跳脫對溫度的體(ti) 感，不談添衣加褲這些家常事，你又對溫度有多少了解呢？ 

俗話說：學語言從(cong) 粗口開始，漲星空体育官网入口网站從(cong) “之最”起步。按照物理學的定義(yi) ，溫度反應的是分子熱運動的劇烈程度，溫度高代表分子平均熱運動的動能大。 

通過理論，我們(men) 可以推出宇宙中的溫度極限，對於(yu) 高溫來說，質量最大的微觀粒子以光速運動時即為(wei) 溫度的上限，數值超過1032K，稱為(wei) 普朗克溫度。 

對於(yu) 低溫的極限，大家應該會(hui) 更為(wei) 熟悉，也就是所謂的“絕對零度”，數值為(wei) 0 K，換算成常用的溫度單位即為(wei) -273.15°C，是一個(ge) 僅(jin) 存在於(yu) 理論中而不可能達到的極限值。 

如果問起“絕對零度”是怎麽(me) 來的，恐怕沒有幾個(ge) 人能答得上來，關(guan) 於(yu) 它的故事說來也挺神奇的，在絕對零度的概念提出時，根本沒有人能夠哪怕接近這樣一個(ge) 數字。 

一百多年後，才有人製成液氦，達到了-269°C（4.2K）的低溫，而實現製得液氦的方法說複雜也複雜，說簡單也簡單，總之不是用冰箱。 

絕對零度概念的提出不是一蹴而就的，也是經過了好幾代人觀察總結。最早在1702年，法國物理學家紀堯姆·阿蒙頓提出了寒冷是否有極限的議題。 

他改進了一種使用空氣和水銀溫度計，空氣的體(ti) 積隨著溫度變化，帶動一截水銀移動來顯示刻度，溫度計的最小數值有極限，也就是零點，按照今天的推算約為(wei) -240°C。 

直到18世紀末，也有不少物理學家嚐試去探尋這個(ge) 低溫的極限。1785年，又是來自法國的物理學家雅克·查爾斯，他發現了氣體(ti) 在壓強恒定時，溫度與(yu) 體(ti) 積的變化關(guan) 係。 

他在實驗中發現，在體(ti) 積恒定的情況下，溫度每降低1°C，氣體(ti) 的壓強大概降低其在0°C時壓強的1/273，按照這一個(ge) 規律推算，當氣體(ti) 溫度降低到-273°C時，壓強就變為(wei) 零了，真空了，不存在了。 

這顯然是一個(ge) 不可能達到的極限，隨後，英國物理學家威廉·湯姆森（也就是開爾文男爵，開爾文原為(wei) 一條河的名字）根據前人的總結和推測，給出了第一個(ge) 正式的絕對零度概念，並且解釋為(wei) 物體(ti) 內(nei) 能降低至零，分子運動完全停止的狀態。 這些科學家以及開爾文爵士等於(yu) 給後人立下了熱力學領域的其中一個(ge) 終極目標，接下來就是一場挑戰絕對零度的曠世大作戰。 

還是那句話，遠大的目標不可能一步就實現，絕對零度的挑戰實際上演變為(wei) 了一種液化氣體(ti) 的曠世大競賽，而每攻克一種氣體(ti) 也就意味著登上了一座山頭，當然最終的目標還是那個(ge) 在雲(yun) 端的不可能極限。 

那是一個(ge) 充滿鬥誌的大探索時代，同期進行的還有抵達南北極點的競賽，但這裏就不展開了。 

第一個(ge) 關(guan) 鍵人物是我們(men) 熟悉的邁克爾·法拉第，到1845年他就已經通過初級的壓縮和冰浴，獲得了多種氣體(ti) 的液態形式，以他當時的技術，能夠獲得最低-130°C的低溫。 

不過，在他的嚐試中也有幾種無論如何也無法液化的氣體(ti) ，包括氧氣、氮氣、氫氣，受限於(yu) 當時的理論，法拉第認為(wei) 這幾種氣體(ti) 屬於(yu) “永久氣體(ti) ”，無法被壓縮成液態。 

現實當然不是法拉第他老人家認為(wei) 的那樣，這幾種氣體(ti) 隻是有些頑固，不過法拉第也算是把挑戰絕對零度的進度提到了山腳下，而麵前的幾座山頭，正是氧氣、氮氣、氫氣等。 

到了1870年代末，法國人路易斯·保羅·卡耶泰率先製得了液氧和液氮，兩(liang) 者分別能獲得-183°C和-196°C的低溫，其中用到了一個(ge) 重要的原理——焦耳-湯姆森效應。 

從(cong) 現象上來看，焦耳-湯姆森效應其實還算比較常見，比方說我們(men) 玩打火機時，如果不點燃單純釋放裏麵的液化氣一會(hui) ，就能摸到液化氣出口處有冰冷的感覺，這就是效應描述的現象之一。 

更具體(ti) 和嚴(yan) 謹的描述是，氣體(ti) 在等焓的環境下膨脹，會(hui) 使溫度上升或下降。另外，存在一個(ge) 所謂反轉溫度，當環境溫度低於(yu) 反轉溫度，通常表變現為(wei) 溫度下降，反之溫度上升。 

氣體(ti) 等焓膨脹時存在兩(liang) 種變化：分子平均距離增加，勢能上升令動能下降，使溫度下降；分子平均距離增加也會(hui) 導致單位時間內(nei) 平均碰撞次數下降，碰撞轉化的勢能下降，動能上升導致溫度上升。 

總結起來就是當環境溫度低於(yu) 反轉溫度時，前者導致的溫度下降比較顯著，而環境溫度高於(yu) 反轉溫度時，後者導致的溫度上升比較顯著。大部分氣體(ti) 的反轉溫度都高於(yu) 室溫，即膨脹過程溫度下降。 

但是，氫氣和當時還沒有被分離出來的氦氣都是例外，它們(men) 的反轉溫度要遠低於(yu) 室溫，即便製取到了它們(men) 在室溫下膨脹反而會(hui) 升溫。 

接下來的重要人物是來自蘇格蘭(lan) 人詹姆斯·杜瓦，他要挑戰的正是當時最後一種“古怪”的“永久氣體(ti) ”氫氣。

當年的科學家們(men) 預計要製得液態的氫，至少要達到-250°C，而這個(ge) 溫度以當時的技術和設備是一個(ge) 不可能的挑戰，杜瓦也必須要發明新的設備，他的貢獻也恰恰在此。 

杜瓦的方案從(cong) 原理上來說並不複雜，可以說是“大力出奇跡”，他設想的方案是，先用一種可以在常溫下壓縮液化的氣體(ti) ，液化後再使其膨脹獲得低溫，冷卻下一種更難被液化的氣體(ti) ，液化後再冷卻下一種…… 如此環環相扣，最終就可以獲得足夠低的溫度，讓氫氣液化，這種多級串聯的方案或許不是杜瓦獨創，但是卻是他真正實現的，關(guan) 鍵就在於(yu) 儀(yi) 器設備的製造。 

儀(yi) 器設備需要大量的資金，杜瓦因此會(hui) 在皇家學會(hui) 的實驗室向客人演示一些液化氣體(ti) 的獨特屬性，用實驗來吸引大家的注意力。

但是實驗哪能一帆風順，1886年，倫(lun) 敦發生了一起可怕的爆炸，杜瓦在實驗中不慎將液氧和液態乙烯混合在了一起引起了爆炸，差一點斷送了他的科學生涯。 

不過，很快杜瓦就通過氯甲烷-乙烯-氧氣-氫氣多級串聯的方式製得了僅(jin) 僅(jin) 20立方厘米的液氫，當時儲(chu) 存的罐體(ti) 承受了180個(ge) 大氣壓，溫度達到了-205°C。 

杜瓦再將液氫通入膨脹管，看著溫度計度數穩步下降，最終獲得了-252°C的新紀錄，算是完成了他所敬佩的前輩法拉第口中不可能的挑戰。 

然而，就在實驗成功後不久，一種新的氣體(ti) 的出現沒能讓杜瓦笑到最後，惰性氣體(ti) 氦氣被發現並製得，簡直是柳暗花明又一村。 

接下來，荷蘭(lan) 人昂內(nei) 斯接過重擔，他用杜瓦的裝置以及鈔能力建造的液氫工廠，也是大力出奇跡般的製得了液氦，達到了4.2K（-268.95°C）。 

在這個(ge) 接近絕對零度的溫度下，很多物質會(hui) 表現出前所未有的狀態，包括流體(ti) 力學、電磁學等等相關(guan) 的特性，這也讓昂內(nei) 斯斬獲了諾貝爾獎。 

我們(men) 今天用的一些製冷電器，包括空調、冰箱，其實從(cong) 原理上來說都離不開這幫研究氣體(ti) 的科學家們(men) 的貢獻。當年為(wei) 昂內(nei) 斯製作儀(yi) 器的工匠成立了公司，生產(chan) 保溫瓶，名叫“Thermos”。 

但是說來也有些遺憾，杜瓦在1923年去世，同一年家用的電冰箱才被發明出來，而三年之後，昂內(nei) 斯也去世了，他們(men) 為(wei) 製冷奮鬥了一輩子，最終是沒有用上冰箱的。 

希望各位內(nei) 心存有求知欲的青年們(men) ，你們(men) 在打開冰箱享用冷飲的時候可以想起這段傳(chuan) 奇史話。 

參考資料：

劉霞. 追尋絕對零度的奇幻旅程[N]. 科技日報,2013-09-21(002).

徐澤智.絕對零度的探索[J].製冷,1986(04):34-35+44.

Alan Bellows. Absolute Zero is 0K. damn interesting, 20 March 2014.


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