立秋已過,但北京持續的高溫卻絲毫沒有減弱,每當這時大家都會「哪涼快哪呆著」。現代人可以躲在屋裡吹空調,古代君王往往選擇奔向各大避暑山莊等氣溫相對較低的地方。
地球上最冷的地方自然是冬季的南北兩極,那你知道目前已知宇宙間最「涼快」的地方是哪裡嗎?那就是半人馬座的回力棒星雲,這個區域物質的溫度分布非常接近溫度中的絕對零度。
那麼什麼是絕對零度呢?它和我們常用的攝氏度之間有什麼關係呢?人類又是怎樣發現絕對零度的呢?
溫度的下限
人類對溫度的認知,一開始的關注點在於水。17世紀荷蘭物理學家惠更斯和英國物理學家胡克共同測定了水的冰點和沸點。
1742年,瑞典天文學家攝爾修斯規定,水的沸點溫度為0,冰點為100,中間等分成100份,於是最早的攝氏問世,用這套標準規定的溫度被稱為攝氏度。
讀到這裡小夥伴們可能會疑惑:不對啊,這咋和我們現在攝氏度的數值反著呢?明明冰的溫度更低,為啥溫度的數值反而比沸水高啊?
這是因為攝爾修斯生活在瑞典,如果按照現在的攝氏度來標定溫度,那麼一年裡很長時間內瑞典的溫度都是負的,用起來很不方便。
於是,生活在瑞典的攝爾修斯為了避免溫度總是出現負值,就這樣規定了最早的攝氏度。
後來,攝氏度漸漸被普及,這期間攝氏度的定義也被不斷地完善。人們考慮到了氣壓對水沸點和冰點的影響,並且將0度和100度的位置調換了過來,成為了現在我們熟悉的攝氏溫標。
顯然,攝氏溫標的規定,主要是針對人類活動範圍內大部分可以測到的溫度,很大程度上是出於方便。
不過,自然界中的溫度是可以遠超出冰點和沸點的,但是溫度可以達到無限高或無限低嗎?如果存在溫度的極限,它們究竟在哪裡呢?
大約在1787年,法國物理學家查理在研究氣體的恆壓膨脹問題時,發現了壓強一定時,氣體的體積會受到溫度的影響。
不過,查理發現的這個規律並沒有被發表,直到1802年,法國化學家蓋·呂薩克證明壓強不變時,任何氣體當升高相同溫度時,體積會膨脹相同的比例,即任何氣體都具有相同的熱膨脹係數。他用實驗揭示了定量氣體在恆定壓強下,氣體體積與溫度間的關係。
研究發現,氣體在0℃也能繼續降溫變冷,溫度每降低1℃,氣體的體積就會減小0℃時的1/273。
人們意識到,從這個看似尋常的結果中可以得到一個不太尋常的推論:
如果恆壓下一直給氣體降溫(假設能一直維持在氣體的狀態不液化為液體),那麼當溫度下降到-273℃時,氣體的體積就會減到0。這時如果繼續降溫會發生什麼呢?體積變為負值嗎?似乎不太可能。
於是,人們就大膽猜測,在-273℃時,氣體的體積將變為0,不能再減小了,此時就達到了理論中的最低溫度。這便是人們對「最低溫度」最早的認識。
時間從18世紀步入19世紀,溫度的本質漸漸被人們揭示。
以伯努利、羅蒙諾索夫、克勞修斯、麥克斯韋、玻爾茲曼、威廉·湯姆森為代表的科學家認為溫度是分子運動的表現,分子運動越劇烈,平均動能越高,溫度就越高;分子運動越不劇烈,平均動能越低,溫度就越低。
要知道動能可是有下限的,最小值為0,不可能出現負的動能,因此溫度也不可能無限地降低,一定存在某個最小值。當分子的平均動能為0時,意味著所有分子都停止了運動,此時溫度達到了最低點。
1848年,英國物理學家威廉·湯姆森發表了一篇題為《關於一種絕對溫標》的文章,他將該溫標的0點規定在了溫度的最低值,大約在-273℃左右(沒錯就是在剛才的假想情形中,氣體體積為0時的溫度)。
後來人們將這個數精確到-273.15℃,這就是我們常說的絕對零度。絕對溫標就是以絕對零度作為溫度的計算起點,即-273.15℃=0K。
絕對溫標最顯而易見的好處是不存在負值。此外,絕對不依託於具體的物質,它沒有用水或任何物質來標定溫度,完全從理論上給出了定義。
之後湯姆森還在科學上取得了各類成就,獲得了英女皇授予開爾文勳爵銜,後世改稱他為開爾文勳爵。
人們為了紀念他,用他的稱號命名了絕對溫標的單位——開爾文(K)。
「絕對零度」能達到嗎?
如果溫度一旦達到絕對零度,氣體體積真的能變為零嗎?或者說,絕對零度真的可以達到嗎?
按照開爾文的理論,在絕對零度下,分子將不殘留有任何一點點動能,這種難以想像的極端假設困擾著科學家們,沒有任何動能的原子會存在嗎?此時的原子會是什麼樣的狀態呢?
這個問題困擾了人們很久,科學家漸漸認識到絕對零度似乎只能接近,不能達到,可望而不可及。
終於在1906年,答案揭曉。
德國物理學家能斯特在研究低溫化學反應時發現,當溫度不斷逼近絕對零度時,等溫過程和絕熱過程會「融為一體」,變成同一種過程。後來這個規律被稱為能斯特定理。
等等,節奏太快,等溫過程,絕熱過程都是啥?
在前面我們已經認識了等壓過程,而等溫過程指的是在整個過程中系統的溫度不變,而絕熱過程就是整個過程中系統內部和外部之間完全沒有熱量交換。
等溫和絕熱兩種過程「融合為一體」?能斯特的發現的這個結論已經十分匪夷所思,但是由能斯特定理得到推論更是讓人驚訝。由能斯特定理可以推出:不可能用有限的過程把溫度降到絕對零度,這條規律又被稱作熱力學第三定律。
就此關於絕對零度的種種猜想終於有了定論,溫度的確存在下限,不可能無限地降低,這個下限就是絕對零度。
低溫下的神奇現象
雖然絕對零度永遠不可能達到,但是這似乎並不妨礙人們對低溫極致的追求。這是因為材料在接近絕對零度時會顯現出一些奇異的性質,比如超導、超流體就是在低溫下發現的。
目前已知宇宙的空間平均溫度為2.74K,科學家觀測到在距離我們僅僅5000光年的半人馬座,存在一個名為回力棒的星雲,它就是宇宙的極寒之地,溫度約為1K,是目前已知宇宙中人類觀測到最冷的自然發生地點。
但人類在地球上的製造的低溫甚至比這團星雲更加接近絕對零度。麻省理工學院的研究人員在2003年,使用雷射束減緩了鈉原子的速度,將其冷卻到絕對零度以上的十億分之一度,但距離絕對零度也總是差那麼一點點距離。
人類關於絕對零度的研究還在不斷的深入中,相信未來的科學會越來越發達,會有發現更多的理論支撐我們對星辰大海的探索。