第十章 绝对零度
2019-05-21 19:562,622

  绝对零度是想象出来的温度。在该温度下,物质中的原子不发生运动。无论是 在自然界还是在实验室里,绝对零度永远无法达到。不过科学家已经能够获得非常接近绝对零度的温度了。一方面,绝对零度无法达到;另一方面,即便是达到了绝对零 度,我们也无从得知,因为没有任何一种温度计能测出其温度。

  我们测量物体温度的时候,实际上测量的是组成该物体的原子的平均能量。温度是粒子振动或运动速度快慢的度量。在气体和液体当中,分子可以在各个方向上自由运动,互相之间经常发生碰撞,因此,温 度是与粒子的平均运动速度相关的。在固体中,原子被束缚在晶格结构中,就像 Meccano 被电铐铐在一起。(译者注:这是一种儿童玩具的商标。)温度升高时,原子就变得活跃起来,振动加剧,如同晃动的吉露(Jello)果冻,不过,原子不能离开原来的位置。

  如果对物质进行冷却,那么原子的运动就会慢下来。对气体来说, 原子的运动速度减慢;对固体来说,原子的振动减缓。如果温度继续降低,原子运动或振动的速度还会进一步减慢。如果冷却的温度足够低, 原子最终可以完全停止运动。这个假设的静止点就叫做绝对零度。

  开氏温标 绝对零度的概念是在 18 世纪通过将温度—能量图外推到 0 而得出的,并被人们普遍接受。温度升高的时候,能量也升高。将连接这两个量 的连线向后延长,就可以找到能量为 0 的点,亦即零下273.15 摄氏度或者零下 459.67 华氏度。

  19 世纪,开尔文勋爵提出了一种将绝对零度作为零点的新温标。开尔文温标源 自 摄 氏温 标,但 之 后取 代 了 摄 氏温 标。之 前 说水 在 0 摄氏 度 结 冰,而 现在 则 说 成 是水 在 273 开尔 文 下 结 冰,在 373 开 尔文(相当于 100 摄氏度)下沸腾。开尔文温标的上限是水的三相点,也就是在特定压力下,水、水蒸汽和冰三相共存时的温度。该温度在低压下(低于 1% 大气压)为 273.16 开尔文或者0.01 摄氏度。现在,许多科学家都采用开氏温标测量温度。

  大寒冷 在绝对零度下会是什么感觉呢?户外温度达到冰点,大 雪纷飞时的感觉大家都知道。呼吸都凝结了,手也开始麻木。真够冷的啊!北美局部地区和西伯利亚在冬季时温度可达到零下 10 到零下 20 摄氏度,而在南极,甚至可以达到零下 70 摄氏度。目前地球上有记录的最低温度是零下 89 摄氏度,或者 184 开尔文。 该温度是沃斯托克(Vostok)于 1983 年在南极中心腹地测量到的。

  登 山 或 乘飞 机 进 入 大气 层 时, 温 度也 会 下 降。 如果 再远一些,进入外部空间的话,温度会更低。但是,即便因为喜欢把冰棒放在绝对零度下冷冻,所以我比大部分美国人更经常 地使用开氏温标。在我看 来,小甜食只有在没有任何分子运动的时候,才是在空间的最深最空处,最冷的原子的温度也高于绝对零度 几 度。目 前 在 宇 宙中 发 现 的 最冷 的 环 境 位于 回 旋 标 星云(Boomerang Nebula)中。该星云是一团黑色的气体云,温度仅比绝对零度高了 1 度。

  在星云之外的太空中,环境温度相对温和,约为2.7 开尔文。温度较为温和是宇宙微波背景辐射的功劳,即大爆炸之后残余下的、充满整 个空间的热量(见第 188 页)。如果要将温度进一步降低,必须对相应 区域进行屏蔽,消除背景辐射的影响,使所有原子都将残余热量损失掉。因此,宇宙中实际上是不可能存在温度为绝对温度的区域的。

  室内严寒 更低的温度可以临时在实验室中达到。物理学家们已 经尝试在短时间内获得非常接近绝对零度的温度了,比太空的温度更加接近。

  许多实验室中都使用过液态气体冷凝剂,不过这些冷凝剂的温度 是高于绝对零度的。要将氮气冷却,冷凝剂的温度必须降至 77 开尔文(零下 196 摄氏度)。液氮易于罐运,并广泛用于医院中生物样本的保存(如生育门诊冷冻的胚胎和精子)以及先进电子器件等。将一只康乃馨花浸入液氮,它会变得很脆,掉到地上时会像瓷器一样摔成碎片。

  液氦的温度就更低了,只有 4 开尔文,但是仍在绝对零度之上。通过将两种类型的氦,氦 3 和氦 4 进行混合,就可以将两者混合物的温度降至几千分之一开尔文。

  要达到更低的温度,物理学家需要更聪明的办法。1994年,在 科 罗 拉 多州 博 得 尔 市的 美 国 国 家标 准 技 术 研究 所 ational Institute ofStandards and Technology,NIST),科 家们利用激光,将铯原子的温度降低到了千万分之七开尔。9 年之后,麻省理工学院的科学家们又迈进了一步,他 获得了百亿分之五开尔文的低温。

  实际上,绝对零度是一个抽象的概念,它既不能在实验室中获得,也不能从自然界中测量到。科学家们一方面不断逼近绝对零度,另一方面也必须承认绝对零度事实上是永远也不能达到的。

  为何绝对零度无法达到呢?首先,任何温度不在绝对零度的温度 计都会从外界吸收热量,从而破坏对绝对零度的测量。其次,在如此低的能量之下测定温度的时候,超导效应和量子力学等其他效应会干扰测 定,影响原子的运动和状态。因此我们永远也无法得知是不是测得了绝对零度。绝对零度实际上就是一种“实际上并不存在”的情形。

  开尔文勋爵 1824—1907 年

  英国物理学家开尔文勋爵,原名威廉 。 汤 姆逊,解决了许多电学和热学问题。不过他最 著名的功绩是帮助建成了第一条跨越大西洋的 海底电缆,该电缆用于传输电报。汤姆逊一生发表了 600 多篇论文,并被选为著名的伦敦皇 家学会的会长。他是一位保守派的物理学家, 不愿承认原子的存在,反对达尔文的进化论以 及地球和太阳年龄的相关理论,于是常常将自 己置于孤立无援的境地。开尔文河流经格拉斯 哥 大 学 和 他 的 家 乡(位 于 苏 格兰 海 岸 的 拉 格斯),汤姆逊因此被人们称为拉格斯开尔文男 爵。1900 年,开尔文勋爵在大不列颠皇家研究 院发表了举世闻名的演讲,他为“理论的优美 和清晰”被两朵乌云遮蔽的事实深感遗憾。这 两朵乌云就是有缺陷的黑体辐射理论,以及人 们尝试发现光传播所需的介质——“以太”或 气体介质的失败。他提出的这两个问题后来被 相对论和量子理论解决了,但当时汤姆逊一直 想通过牛顿力学解决。

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