在和人爭(zhēng)吵空調(diào)到底設(shè)26度還是27度的問題上，在運(yùn)動(dòng)過后從小賣部買的飲料是否夠冰的問題上，在手游里欣賞璃月港景色時(shí)手掌是否被“煎烤”的問題上，你會(huì)驚奇的發(fā)現(xiàn)自己原來對(duì)區(qū)區(qū)幾度的變化那么敏感。

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

俗話說：學(xué)語言從粗口開始，漲知識(shí)從“之最”起步。按照物理學(xué)的定義，溫度反映的是分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，溫度高代表分子平均熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能大。

通過理論，我們可以推出宇宙中的溫度極限，對(duì)于高溫來說，質(zhì)量最大的微觀粒子以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)即為溫度的上限，數(shù)值超過10^32 K，稱為普朗克溫度。

對(duì)于低溫的極限，大家應(yīng)該會(huì)更為熟悉，也就是所謂的“絕對(duì)零度”，數(shù)值為0 K，換算成常用的溫度單位即為-273.15攝氏度，是一個(gè)僅存在于理論中而不可能達(dá)到的極限值。

如果問起“絕對(duì)零度”是怎么來的，恐怕沒有幾個(gè)人能答得上來，關(guān)于它的故事說來也挺神奇的，在絕對(duì)零度的概念提出時(shí)，根本沒有人能夠哪怕接近這樣一個(gè)數(shù)字。

一百多年后，才有人制成液氦，達(dá)到了-269°C(4.2 K)的低溫，而實(shí)現(xiàn)制得液氦的方法說復(fù)雜也復(fù)雜，說簡(jiǎn)單也簡(jiǎn)單，總之不是用冰箱。

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

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

直到18世紀(jì)末，也有不少物理學(xué)家嘗試去探尋這個(gè)低溫的極限。1785年，又是來自法國的物理學(xué)家雅克·查爾斯，他發(fā)現(xiàn)了氣體在壓強(qiáng)恒定時(shí)，溫度與體積的變化關(guān)系。

他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在體積恒定的情況下，溫度每降低1°C，氣體的壓強(qiáng)大概降低其在0°C時(shí)壓強(qiáng)的1/273，按照這一個(gè)規(guī)律推算，當(dāng)氣體溫度降低到-273°C時(shí)，壓強(qiáng)就變?yōu)榱懔?，真空了，不存在了?/p>

這顯然是一個(gè)不可能達(dá)到的極限，隨后，英國物理學(xué)家威廉·湯姆森(也就是開爾文男爵，開爾文原為一條河的名字)根據(jù)前人的總結(jié)和推測(cè)，給出了第一個(gè)正式的絕對(duì)零度概念，并且解釋為物體內(nèi)能降低至零，分子運(yùn)動(dòng)完全停止的狀態(tài)。

這些科學(xué)家以及開爾文爵士等于給后人立下了熱力學(xué)領(lǐng)域的其中一個(gè)終極目標(biāo)，接下來就是一場(chǎng)挑戰(zhàn)絕對(duì)零度的曠世大作戰(zhàn)。

還是那句話，遠(yuǎn)大的目標(biāo)不可能一步就實(shí)現(xiàn)，絕對(duì)零度的挑戰(zhàn)實(shí)際上演變?yōu)榱艘环N液化氣體的曠世大競(jìng)賽，而每攻克一種氣體也就意味著登上了一座山頭，當(dāng)然最終的目標(biāo)還是那個(gè)在云端的不可能極限。

那是一個(gè)充滿斗志的大探索時(shí)代，同期進(jìn)行的還有抵達(dá)南北極點(diǎn)的競(jìng)賽，但這里就不展開了。

第一個(gè)關(guān)鍵人物是我們熟悉的邁克爾·法拉第，到1845年他就已經(jīng)通過初級(jí)的壓縮和冰浴，獲得了多種氣體的液態(tài)形式，以他當(dāng)時(shí)的技術(shù)，能夠獲得最低-130°C的低溫。

不過，在他的嘗試中也有幾種無論如何也無法液化的氣體，包括氧氣、氮?dú)?、氫氣，受限于?dāng)時(shí)的理論，法拉第認(rèn)為這幾種氣體屬于“永久氣體”，無法被壓縮成液態(tài)。

現(xiàn)實(shí)當(dāng)然不是法拉第他老人家認(rèn)為的那樣，這幾種氣體只是有些頑固，不過法拉第也算是把挑戰(zhàn)絕對(duì)零度的進(jìn)度提到了山腳下，而面前的幾座山頭，正是氧氣、氮?dú)狻錃獾取?/p>

到了1870年代末，法國人路易斯·保羅·卡耶泰率先制得了液氧和液氮，兩者分別能獲得-183°C和-196°C的低溫，其中用到了一個(gè)重要的原理——焦耳-湯姆森效應(yīng)。

從現(xiàn)象上來看，焦耳-湯姆森效應(yīng)其實(shí)還算比較常見，比方說我們玩打火機(jī)時(shí)，如果不點(diǎn)燃單純釋放里面的液化氣一會(huì)，就能摸到液化氣出口處有冰冷的感覺，這就是效應(yīng)描述的現(xiàn)象之一。

更具體和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拿枋鍪?，氣體在等焓的環(huán)境下膨脹，會(huì)使溫度上升或下降。 另外，存在一個(gè)所謂反轉(zhuǎn)溫度，當(dāng)環(huán)境溫度低于反轉(zhuǎn)溫度，通常表現(xiàn)為溫度下降，反之溫度上升。

氣體等焓膨脹時(shí)存在兩種變化：分子平均距離增加，勢(shì)能上升令動(dòng)能下降，使溫度下降;分子平均距離增加也會(huì)導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)平均碰撞次數(shù)下降，碰撞轉(zhuǎn)化的勢(shì)能下降，動(dòng)能上升導(dǎo)致溫度上升。

總結(jié)起來就是當(dāng)環(huán)境溫度低于反轉(zhuǎn)溫度時(shí)，前者導(dǎo)致的溫度下降比較顯著，而環(huán)境溫度高于反轉(zhuǎn)溫度時(shí)，后者導(dǎo)致的溫度上升比較顯著。大部分氣體的反轉(zhuǎn)溫度都高于室溫，即膨脹過程溫度下降。

但是，氫氣和當(dāng)時(shí)還沒有被分離出來的氦氣都是例外，它們的反轉(zhuǎn)溫度要遠(yuǎn)低于室溫，即便制取到了它們?cè)谑覝叵屡蛎浄炊鴷?huì)升溫。

接下來的重要人物是來自蘇格蘭人詹姆斯·杜瓦，他要挑戰(zhàn)的正是當(dāng)時(shí)最后一種“古怪”的“永久氣體”氫氣。

當(dāng)年的科學(xué)家們預(yù)計(jì)要制得液態(tài)的氫，至少要達(dá)到-250°C，而這個(gè)溫度以當(dāng)時(shí)的技術(shù)和設(shè)備是一個(gè)不可能的挑戰(zhàn)，杜瓦也必須要發(fā)明新的設(shè)備，他的貢獻(xiàn)也恰恰在此。

杜瓦的方案從原理上來說并不復(fù)雜，可以說是“大力出奇跡”，他設(shè)想的方案是，先用一種可以在常溫下壓縮液化的氣體，液化后再使其膨脹獲得低溫，冷卻下一種更難被液化的氣體，液化后再冷卻下一種……

如此環(huán)環(huán)相扣，最終就可以獲得足夠低的溫度，讓氫氣液化，這種多級(jí)串聯(lián)的方案或許不是杜瓦獨(dú)創(chuàng)，但是卻是他真正實(shí)現(xiàn)的，關(guān)鍵就在于儀器設(shè)備的制造。

儀器設(shè)備需要大量的資金，杜瓦因此會(huì)在皇家學(xué)會(huì)的實(shí)驗(yàn)室向客人演示一些液化氣體的獨(dú)特屬性，用實(shí)驗(yàn)來吸引大家的注意力。

但是實(shí)驗(yàn)?zāi)哪芤环L(fēng)順，1886年，倫敦發(fā)生了一起可怕的爆炸，杜瓦在實(shí)驗(yàn)中不慎將液氧和液態(tài)乙烯混合在了一起引起了爆炸，差一點(diǎn)斷送了他的科學(xué)生涯。

不過，很快杜瓦就通過氯甲烷-乙烯-氧氣-氫氣多級(jí)串聯(lián)的方式制得了僅僅20立方厘米的液氫，當(dāng)時(shí)儲(chǔ)存的罐體承受了180個(gè)大氣壓，溫度達(dá)到了-205°C。

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

然而，就在實(shí)驗(yàn)成功后不久，一種新的氣體的出現(xiàn)沒能讓杜瓦笑到最后，惰性氣體氦氣被發(fā)現(xiàn)并制得，簡(jiǎn)直是柳暗花明又一村。

接下來，荷蘭人昂內(nèi)斯接過重?fù)?dān)，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制得了液氦，達(dá)到了4.2K(-268.95°C)。

在這個(gè)接近絕對(duì)零度的溫度下，很多物質(zhì)會(huì)表現(xiàn)出前所未有的狀態(tài)，包括流體力學(xué)、電磁學(xué)等等相關(guān)的特性，這也讓昂內(nèi)斯斬獲了諾貝爾獎(jiǎng)。

我們今天用的一些制冷電器，包括空調(diào)、冰箱，其實(shí)從原理上來說都離不開這幫研究氣體的科學(xué)家們的貢獻(xiàn)。當(dāng)年為昂內(nèi)斯制作儀器的工匠成立了公司，生產(chǎn)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(fā)明出來，而三年之后，昂內(nèi)斯也去世了，他們?yōu)橹评鋳^斗了一輩子，最終是沒有用上冰箱的。

希望各位內(nèi)心存有求知欲的青年們，你們?cè)诖蜷_冰箱享用冷飲的時(shí)候可以想起這段傳奇史話。

關(guān)鍵詞： 絕對(duì)零度