科学史上，最经典的“大力出奇迹”：用“土法制冷”挑战绝对零度

       要说
       “土法制冷”
       那第一反应就是非洲那些小哥用泥土制造的“土冰箱”了。
       不过此土法非彼土法，咱们今天要说的“土法制冷”实际上是科学家们对
       绝对零度的挑战
       。


       那么用这个方法挑战成功了吗？很遗憾，并没有成功，而且在
       宇宙
       中永远不可能实现。
       绝对零度是个什么概念？为何绝对零度是我们无法触及的“禁区”？把
       “土法制冷”
       的方法用到极致后的结果是什么？科学家为了挑战
       绝对零度
       还做了什么？


       就像一个数学问题的提出，有时候需要几百年才能得到验证。
       绝对零度
       的概念同样让一众科学家纷纷向其发起挑战
       。今天我们就来了解一下科学家们挑战绝对零度的过程，看他们如何创造出科学界最经典的大力出奇迹，
       将“土法制冷”用到极致的呢？
       普朗克温度和绝对零度的概念
       在说绝对零度之前，我们首先要知道
       宇宙中的温度是什么
       。温度对于我们来说就是身体对这个世界十分直观的感知，
       温度高了会热，温度低了会冷。
       一旦有了这个认知后，人们也就对宇宙中的温度产生了疑问。人们在探索世界的时候，就喜欢从“最”开始，于是科学家就开始研究，
       宇宙
       中的最高温度和最低温度是多少。
       而从微观上讲，
       温度
       是物体粒子热运动的剧烈程度
       。也就是说当粒子的运动达到最大速度时，这时的温度就是宇宙中的最高温度。在
       量子力学
       中，科学家将
       普朗克
       单位作为一个基础极限的单位。


       普朗克温度就是温度的基础上限，通过计算，我们得出的
       宇宙最高温度
       大概就是1.4亿亿亿亿℃。
       而在宇宙大爆炸理论中，在宇宙爆炸的那一瞬间就达到过
       普朗克温度。
       关于普朗克温度的概念咱们就先点到为止，接下来说的才是今天的重点，
       也就是温度的最低极限，绝对零度
       。


       绝对零度概念的提出
       我们现在知道的关于
       绝对零度
       的概念，就是当粒子不再进行热运动时，就可以达到绝对零度，也就是0K，用摄氏度表示就是-273.15℃，
       用华氏度来表示就是-458.67℉。
       最开始引出对绝对零度探讨的，是
       法国物理学家纪尧姆·阿蒙顿
       。他在1702年提出低温是否有极限的问题。最开始阿蒙顿研究的是摩擦力，
       后来他又发现气体中的
       温度和气压
       存在某种关系。


       于是经过实验，得出
       温度与气压的关系成正比
       ，当时做的实验就是将装有空气和水银的温度计放到水里，由此来观察温度的变化。根据温度计上的刻度显示，
       当水结冰时为51，当水沸腾时为73。
       我们将其与现在的温度进行换算，可以发现
       阿蒙顿使用的温度计的刻度单位为4.55℃
       。阿蒙顿得出的结论是，当空气的体积与相应压力为零时，也就是达到
       温度计上的刻度0时，
       就不能再继续冷却。


       于是我们可以根据其刻度单位，计算出
       阿蒙顿得出的最低温度是
       -232.05℃
       。
       不过这还没有达到我们现在概念上的最低温度。随后的几十年里，又有很大一部分
       科学家
       钻进了研究最低温度的洞里。
       时间来到1785年，
       法国物理学家雅克·查尔斯
       通过实验发现体积恒定下，
       当温度已经达到0℃时，每下降1℃，
       压强就会降低1/237。当压强降低为零时，
       得到的最低温度就是
       -237℃。
       而正式定义绝对零度的是
       英国物理学家威廉·汤姆森
       ，他在19世纪时对前人的结论进行总结。将
       绝对零度
       的状态解释为，粒子的运动完全停止，
       其内能也就降至为零。
       他还在1848年建立了一个不依赖任何单一材料性质的热力学温度标度，也就是现在的
       绝对温标
       。由于后面威廉晋升为开尔文公爵，于是在1892年时，
       这个标尺也就成了现在的
       开尔文标尺
       ，单位为K。


       绝对零度在宇宙中不可能实现
       为什么说
       绝对零度
       是我们无法触及的“禁区”呢？
       我们知道，当粒子不再进行热运动时，它的动能也就不存在了，不过其势能仍然存在，而内能并不会直接降至为零，
       而是趋近于零，达到最小值。
       由于
       宇宙中的一切物质都由
       基础粒子构成
       ，所以除非宇宙直接变成不包含任何物质的真空状态，否则就不可能达到绝对零度，而只能无限趋近于
       绝对零度。


       即便是宇宙中最冷的地方，
       回力棒星云
       的温度也有1K
       ，也就是-270.35℃，仍然要比绝对零度高几摄氏度，不过已经十分接近绝对零度了。
       科学家用“土法制冷”挑战绝对零度
       其实有很多科学家在最低温度的问题提出来后，就一直致力于达到绝对零度，
       尽管当时的概念还没有很清晰。


       最开始科学家们局限于在气体状态下寻找绝对零度，但结果可想而知。直到1845年，
       迈克尔·法拉第
       用初级压缩和冰浴的方法，获得了几种液态气体，
       最低温度达到-130℃。
       其实这也算一次偶然的发现，当时
       法拉第
       用水合氯醛的方式制作出了
       液态氯
       。结果他把液态氯放到密封的试管后，
       突然发生爆炸，然后液态氯就瞬间变成了气态。


       于是法拉第就想到，那是不是气态的氯也会在压力下转化为液态呢？随后为了证明这个观点，
       他就进行了一系列实验。
       结果他确实获得了很多气体的液态形式，但是有几种气体他却拿它们没有办法，
       氧气、氮气、氢气被法拉第认为是无法被压缩成液态的
       “永久气体”
       。


       于是后来的科学家就开始对这几种气体进行钻研和实验。先是法国科学家路易斯·保罗·卡耶泰用
       焦耳-汤姆孙效应
       （气体在节流过程中，温度会随压强的变化而变化），
       获得了-183℃的液氧和-196℃的液氮。
       那么接下来就是攻克液氢了，
       当时苏格兰物理学家
       詹姆斯·杜瓦
       就成功解决了这个难题。


       之前获得
       液氧和液氮
       用到的主要是一种“阶式液化的方式，就是先获得一种比较容易获得的液态气体，然后再用这个气体，通过增加压力的方式给另外一种气体降温，从而达到第二种气体的液态。
       而杜瓦当然也想用这种“土方法”，但是
       液态的沸点低至-252.78℃
       ，显然当时的设备没有办法做到。于是在这样的境况下，杜瓦只能想办法发明一种新的设备。


       咱就是说，这种看似无法完成的挑战，只要心中足够坚定，
       或许就真能像杜瓦一样“大力出奇迹”。
       他成功制造出新的设备，并通过
       “阶式液化”
       将氯甲烷、乙烯、氧气和氢气进行多级串联，
       最后得到20cm3的液氢，温度低至-205℃。
       随后又将这些液氢放到膨胀管中，使其温度又降至-252℃。


       不过氢气并不是最难翻越的那座高山，因为在它之后，
       还有一种叫做氦气的
       惰性气体
       。
       于是荷兰科学家昂内斯就“捡了个漏”，在1908年，他直接用杜瓦的装置，然后花了一笔资金建立了一个液氢工厂，
       最后得到
       温度低至-268.95℃的液氦
       。


       后来他还在实验中发现，当温度降至最低时，
       汞和铅的电阻会消失
       ，还有一些其他物质同样会在低温下失去热运动，
       使得电阻无限接近于0，于是就有了现在熟知的
       超导现象
       。
       这一发现还让他在1913年获得了
       诺贝尔物理学奖
       。


       不得不说，科学家们的意志力是真的好啊。一百多年的时间，经过重重磨难，终于从最初的概念到最后的
       “土法制冷”
       实践，从气体到液态气体，
       从法拉第的-130℃到昂内斯的-268.95℃。
       不够关于绝对零度的挑战并没有结束，如今科学家已经通过
       激光冷却和蒸发冷却的方式达到了0.5K
       ，这一结果已经十分接近绝对零度了。


       而且科学家还通过
       钾原子超冷量子气体
       证明了磁场系统中的负绝对零度，
       其数值不过-1/1，000，000，000K。
       但这已经在一定程度上，打破了无法触摸绝对零度的可能。