如何用“土法制冷”挑战绝对零度|原子|土法制冷|氢气|氦气|绝对零度|蒸汽

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。

Tips：台球Billiard，是球类运动项目之一。运动员在台球桌上，用超过91.4厘米长的球杆，按照一定的规则，通过击白色主球，使目标球入袋的一项体育休闲项目。

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，这非常接近绝对零度的实际值。

Tips：听力hearing，是指启动听觉器官，接收语音信息的一种能力。其能力运用的有效性一般取决于倾听是否专心。

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。

Tips：威廉·汤姆森William Thomson，为英国的数学物理学家、工程师。也是热力学温标绝对温标的发明人，被称为热力学之父。

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零度高得多，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。

那些挑战绝对零度的科学家

2019年，一个来自剑桥大学的团队试图接近绝对零度这个热力学定律允许下最冷的温度。不过有一个问题：绝对零度是不可能达到的。因为当人们从物质中去除热量时，尝试越冷的温度，热量就会增加得越显著。想要达到绝对零度，这之前的准备工作量是巨大的。即使能够到达绝对零度，这个时候的原子和分子仍然会继续运动。

Tips：旋镖星云Boomerang Nebula，距离地球5000光年。尺度为2.1光年。是宇宙中最寒冷的地方，是距离地球5000光年的尘埃和气体云。

量子力学表明，研究人员越接近绝对零度，物质的特性就越奇怪。例如，在足够低的温度下，液氦会变成超流体，这是一种没有摩擦阻力的流动的液体。而且，它可以自发地向上流动并流出容器，能够渗透进分子间的缝隙，在高速旋转时保持完美静止。最令物理学家惊讶的是，它能够凝聚成一个“超级原子”，这种状态也被称为玻色-爱因斯坦凝聚。

科学家探索绝对零度的旅程始于18世纪初，当时纪尧姆·阿蒙顿说，如果温度是系统中热量的量度，那么必须有可能的最低温度。然而，直到两个世纪之后，阿蒙顿的理论才被人们真正重视，并且出现了许多与此理论相关的实验。

Tips：超流体是一种物质状态，特点是完全缺乏黏性。如果将超流体放置于环状的容器中，由于没有摩擦力，它可以永无止尽地流动。

1845年，迈克尔·法拉第第一个在挑战绝对零度的相关实验中得出了突破性的结果。在当时，他使用了初级的压缩和冰浴方式，将多种气体变为液态。根据当时的科学技术来看，能够到达的最低温度是-130℃。但是通过观察法拉第的研究能够发现，有几种气体是液化失败了的，比如氧气、氮气和氢气。由于当时的科学理论还不够发达，所以法拉第将这几种气体定义为“永久气体”，认为它们是不能被压缩成液态的。

Tips：冰水浴就是在运动后让身体表面暴露在低温的水中 (一般低于摄氏15度)。不少专业体育训练中心均设有特制的冰水池 Ice pool，或冰水桶 Ice Tub，而一般人亦可自行在浴缸开水加冰自制。

19世纪70年代末期，法国物理学家路易斯·保罗·卡耶泰解决了氧气和氮气无法液化的难题，在获得液氧的同时达到了-183℃的低温，在获得液氮的同时达到了-196℃的低温。在这个过程中，卡耶泰主要利用到的原理是焦耳-汤姆森效应。

Tips：焦耳-汤姆森效应:室温常压下的多数气体,经节流膨胀后温度下降,产生制冷效应,而氢、氦等少数气体经节流膨胀后温度升高,产生致热效应。

实际上，焦耳-汤姆森效应并不是一种少见的现象。打火机中就有液化气，当我们将打火机里的液化气释放一部分之后，就能够感觉到液化气出口的地方温度明显下降了。这就是焦耳-汤姆森效应的表现之一。这个效应在科学中的解释是，在等焓环境下，气体会膨胀，温度也会随之升高或者降低，这个过程就被称为焦耳-汤姆森过程。在这个过程中，还存在一个标准叫做反转温度，如果环境温度比反转温度更低，温度就会下降，如果环境温度比反转温度更高，温度就会上升。

Tips：液化气一般指液化石油气。液化石油气是在炼油厂内，由天然气或者石油进行加压降温液化所得到的一种无色挥发性液体。

这也是氢气和氦气为什么在当时没有被液化的原因，因为这两种气体的反转温度都比室温要低得多，所以就算能够使它们在室温环境中膨胀，温度也只会升高，而无法降低，自然也就不能被冷却成液态。

如何用“土法制冷”挑战绝对零度

成功将氢气液化的人是苏格兰科学家詹姆斯·杜瓦。科学家们曾经认为，想要将氢气液化，环境温度必须要低于或等于-250℃。在当时，无论是设备和技术都远远无法达到这个条件。为此，杜瓦进行了新设备的研究和发明，同时也为后来的相关研究奠定了基础。

Tips：詹姆斯·杜瓦爵士Sir James Dewar，1842年9月20日-1923年3月27日苏格兰物理学家，化学家，发明家。

杜瓦设计的方法其实原理很简单，这也是被人们看作“大力出奇迹”的一个实验。在杜瓦的方案中，首先将一种能够在常温环境下液化的气体液化，再让它膨胀降低温度，利用这个低温再去冷却下一种液体，以此类推不断循环下去，最终就能够获得一个足够使氢气液化的温度。

在杜瓦之前，其实就已经有人提出过这样的方案了，但是杜瓦是第一个把理论变成现实的人，因为他突破了仪器设备的桎梏。杜瓦通过氯甲烷、乙烯、氧气、氢气这样的串联方式制出了20立方厘米的液氢，存储这些液氢的容器承受的压力达到了180个大气压，温度降低到了-205℃。之后，杜瓦又继续将液氢进行膨胀降温，最后使温度下降到了-252℃，这已经是远远超越前人的一项研究成果了。

Tips：液氢是由氢气经过降温而得到的液体，是一种无色、无味的高能低温液体燃料。一个大气压下的正常氢沸点为20.37 K，凝固点为13.96 K，密度为 70.85 kg/m。

但是，这个实验顺利结束之后没过多久，惰性气体氦气就被发现了。这也就意味着，对绝对零度的挑战还能够再上一个台阶。在莱顿大学，海克·卡末林·昂内斯和他的同事们与世界各地的其他人竞相开发液化氦气的技术。经过多次的失败之后，他们终于成功了。荷兰国家科学和医学史博物馆布尔哈夫博物馆馆长德克范代尔夫特说，在当时，莱顿短暂地成为了地球上最冷的地方。

Tips：莱顿是荷兰西部城市。在海牙东北16公里。人口11.7万。公元922年见于记载，十二世纪城市环绕城堡发展，1266年建市。十四世纪纺织和印刷业发达。

昂内斯的成功其实归功于最早的大功率制冷形式之一。昂内斯实验室和现在世界各地实验室的冷却系统循环工作就和冰箱的原理一样，冷却过程本身类似于我们平时对着热水吹气使其冷却。当人吹气时，更混乱、移动更快速的水分子被蒸发，留下的分子平均移动的速度要更慢，这样就能使水温下降到一个适合饮用的温度。然而，与使用内部蒸汽来降温的日常冰箱不同，昂内斯使用的是气态氦气和液态的氢气和氧气来实现降低温度。