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在前几年,“大力出奇迹”成了风靡一时的网络流行语。这个词语其实一开始是用在台球这项运动上的,因为很多时候新人的技术不够熟练,无法精准地将球打进洞中,所以常常会很用力地打出一杆,如果运气够好,就能把好几个球都打进球袋里面。

然而,在科学领域中,也有一个能够称之为“大力出奇迹”的例子,那就是使用“土法制冷”来试图到达绝对零度。在这条路上,已经有许多位科学家做出了努力,研究过程中获得的成果也已经应用到了各个领域,为我们带来了更加方便快捷的生活。


什么是绝对零度?


因为人类可以很容易地感知冷热的区别,所以温度是人们相当直观地掌握的科学特征。但是,人们在区分冷热时,实际上体验到的是系统包含的热能。在日常生活中,我们通常会认为冷热是一种相对的状态。比如,我们会觉得一杯凉水比火更冷,但是要比冰块更热。但是绝对零度则是一个不需要比较的温度,因为这是理论上的最低温度,不可能有比它更低的温度。按照摄氏度的标准来算,这个温度是-273.15℃,按照华氏度的标准来算,这个温度是-459.67℉。


Tips | 温度是表示物体冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量,而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。


要了解绝对零度的前提是了解什么是温度。温度只是衡量物质中原子或分子移动速度的一种方法,或者更准确地说,是这些粒子的平均动能。如果把我们感受温度的过程想象成一个原子躲避球游戏,当有原子击中你时,你就能感受到它的能量。当我们在一个极小的范围内被数以万亿计的躲避球击中,就能够感知到温度。

当一个热的物体接触一个冷的物体时,更快、更热的原子会把它的速度或者说能量传递给更慢、更冷的原子,随后更热的物体会冷却下来,而原本更冷的物体温度会上升。绝对零度中的“零”是有意义的,它指的是物质中的粒子基本都静止时的温度。因此,此时物质中的粒子已经不可能再减慢速度,也就没有可以再传递出去的动能,所以不可能有更低的温度。


Tips | 粒子,最早发现的粒子是原子、电子和质子,1932年又发现中子,确认原子由电子、质子和中子组成,它们比起原子来是更为基本的物质组分,于是称之为基本粒子。


不过,当达到绝对零度的时候,物质中的原子并不是完全静止的,这就涉及到量子物理学方面的知识了。实际上,无论天气温度有多冷,每个原子内的活动都还是在继续,无论是电子还是质子和中子,也都是如此。


发现绝对零度的是法国发明家纪尧姆·阿蒙顿,他在童年时期就失去了听力,并且从未上过大学,但是他在1702年推论出了绝对零度的基本概念。他通过实验表明,气压与温度成正比,并推论出存在一个最低温度,在该温度下,气压会达到最低值。他甚至估计出了-240℃的数据,这非常接近绝对温度的实际值。


1848年,在北爱尔兰出生的英国物理学家威廉·汤姆森对阿蒙顿此前的研究成果进行了更深入的研究,他还有个更为人所知的身份是第一代开尔文男爵。汤姆森开发了一种被他称为适用于所有物质的“绝对”温标,他在温度计上将绝对零设置为0,使温度摆脱了负数,看起来更加直观也更便于理解和记录。一直到现在,物理学家们依然会使用开尔文(K)标度来进行温度的测量。


热力学之父:威廉·汤姆森William Thomson


目前为止,在整个宇宙中都不存在达到绝对零度的环境。宇宙诞生时的大爆炸残留的能量使整个宇宙的温度都上升了,所以宇宙中的温度要比绝对温度高得多,太空中的平均温度为2.74开尔文。但是,宇宙中一些天体的温度甚至比真空环境还要冷。比如,有一种膨胀的气体云,被称为回旋镖星云,它就像一个在宇宙空间中的冰箱,温度约为1K,是宇宙中最冷的自然环境温度。


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