科学史上，最经典的“大力出奇迹”：用“土法制冷”挑战绝对零度

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温度是什么？这个问题想必很多人都懒得回答。因为这玩意儿太常见了，生活中常用的今天30度，明天32度，这是摄氏度。那你知道摄氏度是怎么定下来的吗？

摄氏温标实际上是用水的冰点和沸点来定义的。它以水的冰点为0度，水的沸点为100度。国际上还有一种不怎么常用的温度单位，那就是华氏度。这也没什么稀奇的，历史上有个叫华伦海特的德国人，他发明了水银温度计，他选取氯化铵和冰水的混合物的冰点温度为温度计的零度，人体温度则为温度计的100度。因此这两种度量单位有个严谨的换算公式：华氏度 = 32+ 摄氏度× 1.8。

摄氏度和华氏度都很贴近生活，但我们常常看见的“绝对零度”却都不是摄氏度和华氏度的零度，它的全称为0开尔文（K），简称0开。这又是基于什么发现的呢？

开尔文是一条河

开尔文是一条河，但这条河跟我们今天要说的话题关系不大。历史上有个开尔文男爵，全名为威廉·汤姆森，此人被后人称为现代热力学之父，除了提出热力学第二定律外，热力学温标的发明可谓是他最重要的成就。

热力学温标的定义基于热力学定律，根据这个定律，任何物质在其绝对零度时，其熵值为零。开氏温标的基准点是绝对零度，这相当于摄氏零下273.15度或华氏零下459.67度。热力学温标的单位是开尔文(K)，与摄氏度或华氏度不同，开氏温标的温度单位没有负数，这是因为热力学定律表明，当温度为绝对零度时，任何物质都不会再发生热运动，也就没有了分子或原子的运动。因此，绝对零度是最低温度，它表示了最小的能量状态。

这种状态是理论上可以达到的，但在实际情况下非常难以实现，但人类总是乐于挑战难题。液化气体可以获得低温是物理学中的制冷原理之一，即制冷剂的变相蒸发所带来的吸热作用。

液化气体在从气态向液态转变的过程中，需要释放出大量的热量，这是因为在气态时分子之间的间距较大，可以自由运动，而在液态时分子之间的间距很小，并受到相互吸引的作用，因此分子要花费能量，克服彼此间的作用力而脱离相互的束缚，进入自由状态。而蒸发则是液态分子回到气态的过程，需要从周围环境中吸收热量，以克服表面张力等作用力把面上分子释放出来，这样一来，液化气体的转化过程中放出的热量可以用来制冷。于是一代代大师开始了他们的操作。

电学之父

第一个登场的大师是电学之父迈克尔·法拉第。法拉第的成就非常广泛，涉及电学、磁学、电化学、光学、化学和热学等领域。他是电磁感应和电解的发现者，开创了电机的原理。他还对电化学原理进行了深入研究，发现了电化学循环定律，并通过研究金属滑动接触产生的电势差，开创了热电学领域……

他的磁感应定律和法拉第电磁感应法则，为电磁学的发展奠定了基础。他还发现了电解现象，并探索了电的化学效应，这些都对电化学的发展起到了关键推动作用。他的贡献也对电学在实践中的应用发展做出了突出贡献，例如他所发明的电磁式发电机广泛应用于现代电力系统。

1845年，法拉第通过初级的压缩和冰浴，已经得到多种液化气，获得了-130°C的低温。但他无法液化氮气、氢气和氧气。受限于当时的技术水平，法拉第认为这几种气体无法液化。但这次法拉第错了，这几种气体只是稍微有些顽固而已。

紧接着1870年，法国科学家路易斯·保罗·卡耶泰利用焦耳-汤姆孙效应得到了液氧和液氮。

焦耳-汤姆孙效应

这是焦耳和开尔文男爵（威廉·汤姆森）合作发现的。

1845年，焦耳和开尔文进行了一系列实验，他们通过将气体通入高压圆柱状容器的一个端口，管道中间设置一个特定形状的狭缩口，使气体流经一个多孔塞或节流阀的区域，而此过程中刻意保持总体积不变来进行实验。比如让压力到减弱到1/2（减压），由于流过狭缩区域的气体容积减小，由涓涓细流变成湍流，分子之间相互激烈碰撞，分子内能增加，而分子的动能在大量的势能和热量之间转化，所以温度将升高。反之，假设气体在常温常压（标准状态）下，当气体在高压下经过狭缩口时，气体容积会增加，分子之间的平均距离增大，使分子内动能减弱，势能增强，导致温度下降。

路易斯·保罗·卡耶泰因此分别获得了液氧和液氮，最低达到了-196°C的温度。这距离绝对零度-273.15°C还很遥远，然而留给人类的只剩下最后一种气体——氢气。要想获得液氢至少需要-250°C的低温，这在当时来说是不可能实现的技术难关。直到1892年，剑桥大学教授詹姆斯·杜瓦发明了一种低温恒温器——杜瓦瓶。

杜瓦瓶

液态气体的温度非常低，因此储存和运输时需要使用绝缘层来减少热量流失。杜瓦瓶就是一种专门用于存储液态气体的高真空容器，它由两个不同的层组成。内层由不锈钢或玻璃制成，通常用于存储液态气体。外层则由真空瓶或保温材料制成，以减少热量传输。通过使用这种设计，液态气体可以在很长一段时间内保持冷却状态，而不会流失热量。

杜瓦通过这个设备可以实现“土法制冷”，也就是液体蒸发和气体节流膨胀的方式。这是一种大力出奇迹的法子，说起来其实很简单，就是通过已经液化的其他类型的气体用作制冷剂，使其膨胀获得低温冷却另一种更难冷却的气体……如此环环相扣，最终获得液氢。这个方案并非杜瓦首次提出，但却是他第一个实现的。因为土法制冷需要大量的资金，这是一般科学家无法做到的。

杜瓦是剑桥大学的教授，他通过自己的影响力向皇家学会演示了制作液氢的方法，并在此后获得了项目资金。他以此建立了液氢工厂，并成功获得了20立方厘米的液氢，当时仅罐体就达到了-205°C。通过膨胀管，杜瓦最终可以获得-260°C的低温，这距离-273.15°C已经很近了，但依然还存在着十几度的差距。

杜瓦此时已经发现氦气还存留在残余气体中，但他始终无法实现氦的液化。此后杜瓦的低温研究由于资金缺乏而终止，但这却让荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯捡了个便宜。

一个诺贝尔奖

1908年，资金丰厚的荷兰莱顿大学教授昂内斯建立了著名的莱顿低温实验室，这个实验室能轻松大量制备液氢和其他气体（包括氦气）。

昂内斯利用液氢预冷，从凌晨5点左右开始，将75升液氢逐步加入到氦液化器中。液化器中心的温度太低，只能使用氦气温度计指示。然而昂内斯等了半天，指示器都没有任何变化，研究小组各种调试机器设备，结果都不管用。一直到当晚7点半，一个跑来看热闹的教授说：会不会是温度计里的氦气也液化了所以没有用，不如我们从瓶底照照，看看情况如何？昂内斯茅塞顿开，拿着电筒在下面一照，结果发现杜瓦瓶中充满了液体。

这次昂内斯使用液氦得到了4.3K的低温（-268.95°C），此后又多次进行试验，最低得到了1.04K的极度低温。在这个温度下，许多物质都会呈现出前所未有的状态，这种状态具有特殊的电学性质，也就是昂内斯命名的超导性。昂内斯也因此在1913年获得了诺贝尔物理学奖。

结语

大力出奇迹并非是什么土法子，在很多时候它的确有用。科学界的大师们利用土法制冷将气体液化，一步步获得了各种极限低温。这也启发着我们要乐于观察和探索，也许解决问题的最佳方案，就是那些被忽视的土法子。

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