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第64章 绝对零度

随着现代科技的发展,人类正在向更高温度和更低温度两个方向进军。这里便出现一个问题,即温度有没有极限?

在高温领域,目前尚没有看出达到上限的迹象。因为温度仅代表了粒子的动能,科学家可以在实验室中把巨大能量施加在少数几个粒子身上,使其在瞬间(十亿分之一秒内)产生人们难以想象的超高温,甚至未来有可能达到宇宙“大爆炸”时的温度,但它并不产生多少热量,科学家甚至不需要安装隔热或防爆装置。

而在低温领域则不同,因为存在绝对零度下限。

我们在物理课上曾学过“查理定律”,即气体被冷却时,每冷却1℃,体积便缩小0℃时体积的1/273;如果加热1℃,体积便会膨胀1/273.这一现象是18世纪法国物理学家查理发现的。

19世纪诞生了原子论,人们认识到气体是分子的集合。温度越高,分子移动越快,所需要的“活动空间”即体积就越大;相反,温度越低,分子移动越慢,体积也就越小。英国物理学家开尔文勋爵对“查理定律”提出新的解释,即气体分子的平均能量每冷却1℃便会衰减1/273,当温度越来越低时,由于可用的能量越来越少,气体分子仅需要很小的活动空间,以致互相压缩而接触,然后变成液体,但这些分子还有足够的能量移动和改变形状以适应盛放液体的容器;随着温度继续下降,分子的能量继续减少,最终这些分子只能占有某一固定的位置,在其周围只能振动而不能移动,此时液体变成固体。他认为在零下273℃时,分子的能量会减少为零,虽然体积不可能完全消失,但能量却可以。因此零下273℃必定代表最低的温度,称为“绝对零度”,也称“零开氏度”,用0K表示。根据后来的精确测量,这一温度为零下273.16℃。

到20世纪初,科学家们已经获得零下272℃的超低温,逐渐向绝对零度逼近。尽管从理论上讲,绝对零度是不可能达到的,但是人们可以不断接近它。

起初,科学家们通过将气体压缩后冷却的方法来获得低温,最低可达到0.5K的深冷温度。1933年,美国化学家吉奥克利用绝热去磁方法,达到绝对温度0.25K,后来逼近绝对温度0.00002K(即百万分之二K)。

1950年,前苏联物理学家坡密朗丘克提出液氦加压相变制冷方法,可达到百万分之一K的极限低温。1965年,根据英国物理学家伦敦提出的稀释制冷原理,获得了一百五十万分之一K的最低温度。

此后,科学家又发明一种核绝热去磁法,在1979年达到一亿分之一K。1995年,美国科学家康奈尔等人成功地使铷原子达到了五亿分之一K,即离绝对零度只相差2×10-10K了。

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