溫度知道的事

2020-12-04 中國青年報

    我們對這些數字並不陌生:人類體溫需恆定在37.2攝氏度,水的沸點是100攝氏度,太陽表面溫度開氏5800度(約合5527攝氏度)。

    溫度和時間一樣高壽,人類很早知曉如何測算重量、丈量距離、分割時間——測溫度卻只有400多年歷史,對它的科學理解更是姍姍來遲。

    在《迷人的溫度:溫度計裡的人類、地球和宇宙史》這本書裡,美國賓夕法尼亞大學物理和天文學教授吉諾·賽格雷將溫度看作一把關鍵的鑰匙,不僅能解開生物之謎、檢測地球健康,更能窺探「上帝的秘密」。

    過去幾百萬年裡,人類、其他哺乳動物、鳥類共享同一個恆定體溫,在這個安全值附近,思考和行動最為有效。體溫高於41攝氏度,人就會脫水,到了零下60攝氏度的南極,血液會面臨凝固的危險。

    越初級的生命形態越能忍受高溫。將一壺水加熱至100攝氏度,其中的超嗜熱菌會完好無損。「龐貝蠕蟲」喜歡生活在噴射高溫氣體的「海底煙囪」旁,讓尾部浸在77攝氏度的「熱泉」中。

    溫度記錄的不止生命形態的廣度,也能描繪出宇宙的深度。諾貝爾物理學獎得主史蒂芬·溫伯格用溫度描繪宇宙誕生的一瞬:大爆炸剛過去百分之一秒,溫度達開氏1000億度;大約在誕生後的4分鐘,宇宙已經冷卻到開氏10億度。氫原子和氦原子是在幾十萬年之後形成的,當時周圍的溫度已經下降到開氏3000度。

    1987年2月23日,遍布世界各地的中微子觀測站都在捕捉一顆超新星的中微子,這是來自17萬年前的遠古信使,它們從那顆死去的恆星內核逃逸。根據科學家的計算,它反映了開氏1000億度的熱分布——那是它們離開時恆星內核的溫度。

    地球剛出生時,是一個火爆脾氣的嬰兒。45億年前,地球初具雛形,太過火熱,溫度的起伏一再塑造著地球的表面,隆起火山,撕裂大陸,它常常毀滅生命,也常常帶來新生。在過去65萬年裡,地球又經歷過9次冰雪洗禮。

    1.1萬年前,地球從又一個冰期中甦醒。新生的歐洲森林結成了凍土,戈壁變成了沙漠,海洋移動了位置,人類結繩記事。在穩定的溫度下,這種智慧生物開始創造文明。

    200多年前,熱量還被認為是可燃物中的一種元素「燃素」。直到一位科學家提出,熱量是一種會產生和消失的東西,「就像鐘聲,低溫好比低音,高溫則是高音。溫度只是鐘聲的頻率。」

    溫度帶來了工業革命。1689年,蒸汽機驅動了鍋爐、火車和輪船,也帶來了熱力學三大定律。

    一些科學家終其一生追求溫度的極限。被稱為「絕對零度」的零下273攝氏度是刻度的終點。到達這個溫度的所有分子都會停止運動,任何氣體到達這個目的地前都會液化。1801年開始,科學家甚至開展了一場世紀競賽:液化所有已知氣體。

    1901年,卡莫林·昂內斯攻克了最後的難關——液化氦氣。但這不是終點,它為物理學研究打開了一扇新的門。昂內斯說:「當溫度降到一定程度,量子世界的許多現象便會顯現。這就好比有人數年來立志攀上一道山脈的頂峰,當他終於登頂,卻發現真正重要的目標是山腳下的一片全新陸地。」

    太陽、地熱、水和空氣共同決定了地球的溫度。任何一個環節出現問題,都會帶來一場預想不到的災難。

    1816年世界丟失了夏天,因為在前一年,印度尼西亞的坦博拉火山噴發,漫天的灰塵遮蔽了陽光。1100年至1250年,因為不明原因,不懼嚴寒的維京人竟在格陵蘭島種起了莊稼。在16世紀前後,全球進入「小冰期」,平均溫度下降1~2攝氏度,但「罪魁禍首」是太陽黑子,還是風向、洋流,尚無定論。

    最近,地球體溫的失控有目共睹。2000年7月末,俄羅斯破冰船在北極點找不到一塊完整的浮冰,西伯利亞森林中北極熊的身形越來越單薄,阿拉斯加永久冰封的凍土開始消融。今年5月21日,印度德裡當日最高溫度超過44攝氏度。巴基斯坦創下的全球4月最熱一天記錄是當日最高50.2攝氏度,這只是春天的尾聲。美國國家海洋和大氣管理局剛剛宣布,截至今年4月,地球經歷了400個月連續「高燒」,每月平均氣溫均高於常值。

    氣象學家認為,地球生命將終結於冰期。宇宙學家預測,當太陽燃盡最後一絲光芒時,膨脹成紅巨星,地球將被熾焰吞沒。或早或晚,生存還是毀滅,還得由溫度決定。

    1925年,愛因斯坦和朋友希拉德一起研發出更安全的冰箱製冷裝置。獲得專利不到4年,更安全的氟利昂問世。希拉德一直保持和愛因斯坦的友誼。1939年8月,希拉德起草、愛因斯坦署名的一封信交至美國總統手中,促成了曼哈頓計劃和原子彈的誕生。

    在賽格雷看來,捕捉一顆帶著17萬年前超新星體溫的中微子、追尋極低溫度,和愛因斯坦搗鼓更安全的冰箱製冷裝置一樣重要,因為這些,不只是「溫度的事」。

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