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人类关于绝对零度的研究还在不断的深入中

  • 2020-08-13 09:46:05

立秋已过,但北京持续的高温却丝毫没有减弱,每当这时大家都会“哪凉快哪呆着”。现代人可以躲在屋里吹空调,古代君王往往选择奔向各大避暑山庄等气温相对较低的地方。

地球上最冷的地方自然是冬季的南北两极,那你知道目前已知宇宙间最“凉快”的地方是哪里吗?那就是半人马座的回力棒星云,这个区域物质的温度分布非常接近温度中的绝对零度。

那么什么是绝对零度呢?它和我们常用的摄氏度之间有什么关系呢?人类又是怎样发现绝对零度的呢?

温度的下限

人类对温度的认知,一开始的关注点在于水。17世纪荷兰物理学家惠更斯和英国物理学家胡克共同测定了水的冰点和沸点。

1742年,瑞典天文学家摄尔修斯规定,水的沸点温度为0,冰点为100,中间等分成100份,于是最早的摄氏温标问世,用这套标准规定的温度被称为摄氏度。

用水的冰点和沸点规定摄氏温标 来源|Mini Physics用水的冰点和沸点规定摄氏温标 来源|Mini Physics

读到这里小伙伴们可能会疑惑:不对啊,这咋和我们现在摄氏度的数值反着呢?明明冰的温度更低,为啥温度的数值反而比沸水高啊?

这是因为摄尔修斯生活在瑞典,如果按照现在的摄氏度来标定温度,那么一年里很长时间内瑞典的温度都是负的,用起来很不方便。

于是,生活在瑞典的摄尔修斯为了避免温度总是出现负值,就这样规定了最早的摄氏度。

摄尔修斯:别问为什么,就是图个方便 来源|维基百科摄尔修斯:别问为什么,就是图个方便 来源|维基百科

后来,摄氏度渐渐被普及,这期间摄氏度的定义也被不断地完善。人们考虑到了气压对水沸点和冰点的影响,并且将0度和100度的位置调换了过来,成为了现在我们熟悉的摄氏温标。

显然,摄氏温标的规定,主要是针对人类活动范围内大部分可以测到的温度,很大程度上是出于方便。

不过,自然界中的温度是可以远超出冰点和沸点的,但是温度可以达到无限高或无限低吗?如果存在温度的极限,它们究竟在哪里呢?

大约在1787年,法国物理学家查理在研究气体的恒压膨胀问题时,发现了压强一定时,气体的体积会受到温度的影响。

不过,查理发现的这个规律并没有被发表,直到1802年,法国化学家盖·吕萨克证明压强不变时,任何气体当升高相同温度时,体积会膨胀相同的比例,即任何气体都具有相同的热膨胀系数。他用实验揭示了定量气体在恒定压强下,气体体积与温度间的关系。

盖·吕萨克 来源|维基百科盖·吕萨克 来源|维基百科

研究发现,气体在0℃也能继续降温变冷,温度每降低1℃,气体的体积就会减小0℃时的1/273。

人们意识到,从这个看似寻常的结果中可以得到一个不太寻常的推论:

如果恒压下一直给气体降温(假设能一直维持在气体的状态不液化为液体),那么当温度下降到-273℃时,气体的体积就会减到0。这时如果继续降温会发生什么呢?体积变为负值吗?似乎不太可能。

于是,人们就大胆猜测,在-273℃时,气体的体积将变为0,不能再减小了,此时就达到了理论中的最低温度。这便是人们对“最低温度”最早的认识。

时间从18世纪步入19世纪,温度的本质渐渐被人们揭示。

以伯努利、罗蒙诺索夫、克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼、威廉·汤姆森为代表的科学家认为温度是分子运动的表现,分子运动越剧烈,平均动能越高,温度就越高;分子运动越不剧烈,平均动能越低,温度就越低。

要知道动能可是有下限的,最小值为0,不可能出现负的动能,因此温度也不可能无限地降低,一定存在某个最小值。当分子的平均动能为0时,意味着所有分子都停止了运动,此时温度达到了最低点。

左为摄氏度温标,右为开尔文温标 来源|Mini Physics左为摄氏度温标,右为开尔文温标 来源|Mini Physics

1848年,英国物理学家威廉·汤姆森发表了一篇题为《关于一种绝对温标》的文章,他将该温标的0点规定在了温度的最低值,大约在-273℃左右(没错就是在刚才的假想情形中,气体体积为0时的温度)。

后来人们将这个数精确到-273.15℃,这就是我们常说的绝对零度。绝对温标就是以绝对零度作为温度的计算起点,即-273.15℃=0K。

绝对温标最显而易见的好处是不存在负值。此外,绝对温标不依托于具体的物质,它没有用水或任何物质来标定温度,完全从理论上给出了定义。

之后汤姆森还在科学上取得了各类成就,获得了英女皇授予开尔文勋爵衔,后世改称他为开尔文勋爵。

人们为了纪念他,用他的称号命名了绝对温标的单位——开尔文(K)。

威廉·汤姆森:开尔文和我是同一个人 来源|维基百科威廉·汤姆森:开尔文和我是同一个人 来源|维基百科

“绝对零度”能达到吗?

如果温度一旦达到绝对零度,气体体积真的能变为零吗?或者说,绝对零度真的可以达到吗?

按照开尔文的理论,在绝对零度下,分子将不残留有任何一点点动能,这种难以想象的极端假设困扰着科学家们,没有任何动能的原子会存在吗?此时的原子会是什么样的状态呢?

这个问题困扰了人们很久,科学家渐渐认识到绝对零度似乎只能接近,不能达到,可望而不可及。

终于在1906年,答案揭晓。

德国物理学家能斯特在研究低温化学反应时发现,当温度不断逼近绝对零度时,等温过程和绝热过程会“融为一体”,变成同一种过程。后来这个规律被称为能斯特定理。

等等,节奏太快,等温过程,绝热过程都是啥?

在前面我们已经认识了等压过程,而等温过程指的是在整个过程中系统的温度不变,而绝热过程就是整个过程中系统内部和外部之间完全没有热量交换。

等温和绝热两种过程“融合为一体”?能斯特的发现的这个结论已经十分匪夷所思,但是由能斯特定理得到推论更是让人惊讶。由能斯特定理可以推出:不可能用有限的过程把温度降到绝对零度,这条规律又被称作热力学第三定律。

能斯特:一不小心发现了温度的下限 来源|维基百科能斯特:一不小心发现了温度的下限 来源|维基百科

就此关于绝对零度的种种猜想终于有了定论,温度的确存在下限,不可能无限地降低,这个下限就是绝对零度。

低温下的神奇现象

虽然绝对零度永远不可能达到,但是这似乎并不妨碍人们对低温极致的追求。这是因为材料在接近绝对零度时会显现出一些奇异的性质,比如超导、超流体就是在低温下发现的。

目前已知宇宙的空间平均温度为2.74K,科学家观测到在距离我们仅仅5000光年的半人马座,存在一个名为回力棒的星云,它就是宇宙的极寒之地,温度约为1K,是目前已知宇宙中人类观测到最冷的自然发生地点。

宇宙最冷之地 半人马座回力棒星云 来源|NASA, ESA and The Hubble Heritage Team宇宙最冷之地 半人马座回力棒星云 来源|NASA, ESA and The Hubble Heritage Team

但人类在地球上的制造的低温甚至比这团星云更加接近绝对零度。麻省理工学院的研究人员在2003年,使用激光束减缓了钠原子的速度,将其冷却到绝对零度以上的十亿分之一度,但距离绝对零度也总是差那么一点点距离。

人类关于绝对零度的研究还在不断的深入中,相信未来的科学会越来越发达,会有发现更多的理论支撑我们对星辰大海的探索。

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