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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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综述

世界上有没有一个温度,低到再也不能低了呢?这个温度就是绝对零度,它是物质的最低温度,也是物理学的一个极限。那么,绝对零度有什么特别的呢?为什么科学家们要用各种“土法制冷”的方法,来挑战这个极限呢?在绝对零度下,会发生什么奇妙的现象呢?



温度的极限

大家都知道,温度是用来衡量物体冷热的。它其实是在告诉我们物体里面微小粒子,也就是分子,是如何活跃的。分子运动得越快,温度就越高,反之亦然。

那么,温度能有多低呢?如果一个物体被冷却得足够彻底,分子就会逐渐懒惰下来,最终几乎停止移动。这时,这个物体的温度就到达了一个特殊的点,那就是绝对零度。

绝对零度的故事可以追溯到很早的时代,其中大科学家波义尔是其中一位关键人物,他被誉为化学之父之一。波义尔观察到一个有趣的现象,当硝石(也就是硝酸钾)溶解于水时,它会吸收大量的热量。这引发了他的好奇心,让他思考地球内部是否存在一种最低的温度。

他甚至给这个假设起了个名字,叫做"原始冷"。不过,现在来看,这个观点显然是错误的,就像当时的热素、燃素等一些错误理论一样,是完全站不住脚的。



1702年,阿蒙顿正在改进空气温度计。他使用了一根水银柱,根据空气温度的变化而上下运动。

他有一个有趣的猜想,如果温度降到最低,那么空气的压强将接近于零,这是否意味着水银柱会降到零,也就是达到最低温度?然而,他并没有深入研究这个点,因为他认为这个最低温度是无法达到的。

后来,苏格兰物理学家乔治·马丁在1740年注意到了阿蒙顿的成果,并发表了这个观点,他指出最低温度大约在零下240°C左右。

现在我们知道,阿蒙顿的空气温度计原理实际上符合查理定律,这是一个高中物理课上学的:理想气体的压强和绝对温度成正比。不过,由于空气不是完全符合理想气体的,所以-240°C有一些偏差是可以理解的。



随后,1779年,约翰·海因里希·兰伯特对这个概念进行了一些改进,认为-270°C可视为绝对零度。然而,在当时,一些权威人士存在一些混乱,包括拉瓦锡、拉普拉斯和道尔顿等科学家,他们都认为绝对零度一定在-600℃以下,而大多数人认为它大约在-3000℃左右。

经过焦耳等科学家的深入研究后,终于出现了一位伟大的科学家,开尔文勋爵。他给热力学领域带来了一次革命性的突破,给绝对温度带来了明确的定义。

开尔文勋爵强调了一个关键观点,即绝对温度应该与任何特定物质的属性无关。这个观点宣布了绝对温标(也称为热力学温度)的诞生。而且,他们选择以开尔文的名字来命名这一新的温度单位,简称开(K)。

根据热力学的方程,我们可以很容易地计算出绝对零度,它大约在-273℃。这个数字,我们在高中物理课上都学过,是一个非常重要的概念,它标志着温度的一个特殊点,也是我们今天使用的温标的基础。



极限挑战

绝对零度是一个理想的、无法达到的最低温度,它是物理学的一个极限。但是,这并没有阻止人类对它的探索和挑战。在科学史上,有一群勇敢的科学家,他们用各种“土法制冷”的方法,试图接近绝对零度,从而揭开它的神秘面纱。

"土法制冷"是一种通过简单的方法来制造低温的技术。它利用气体的压缩和膨胀,以及不同气体的沸点来实现这一目标。这种方法背后的原理可以用一句口头化的话来概括:“气体压缩发热,膨胀吸热”。



最早开始这种挑战的是英国的迈克尔·法拉第,他是电磁学的奠基人之一,同时也被认为是化学之父之一。在19世纪初,他开始挑战极端低温,试图通过压缩和冰浴的方法来液化各种气体,如氯气、氨气和硫化氢气。

法拉第在他的实验中获得了一些显著的成就,最低的温度达到了-130摄氏度。这是一个重要的突破,但它也面临了一些无法液化的气体,如氧气、氮气和氢气。当时,他将这些气体称为"永久气体",意思是它们似乎无法被压缩成液态。

然而,法拉第没有意识到,这些所谓的"永久气体"只是比较顽固,需要更低的温度才能被液化。后来的科学家继续努力,最终克服了这一挑战,实现了氧气、氮气和氢气的液化,这为研究绝对零度的接近提供了更多的可能性。

法拉第的工作为此领域的后续研究奠定了基础,也使我们更好地理解了气体行为和低温物理学。



路易斯·保罗·卡耶泰和詹姆斯·杜瓦是继迈克尔·法拉第之后,继续挑战极端低温的科学家,他们采用了不同的方法来实现更低的温度。

卡耶泰利用了焦耳-汤姆森效应的原理,这个原理表明,当气体在等焓条件下(没有热量交换),通过一个小孔或阀门从高压区域流向低压区域时,会导致温度的变化。

这个变化取决于气体的种类和温度,有些气体会升温,有些气体会降温。卡耶泰成功地利用了这个效应,液化了氧气和氮气,分别达到了-183摄氏度和-196摄氏度。这为继续挑战极低温度创造了可能性。



接下来,詹姆斯·杜瓦成为了新的挑战者,他的目标是液化最难的"永久气体"——氢气。氢气的沸点是-253摄氏度,需要更低的温度才能液化。

他采用了巧妙的多级制冷系统,使用容易液化的气体(如氯甲烷)来制造低温,然后用这个低温来冷却其他不太容易液化的气体(如乙烯、氧气),最终液化了氢气。这个多级制冷系统的每一级都能降低一定的温度,最终达到了液化氢气的目标。

杜瓦的方法虽然简单,但非常有效,他制造了20立方厘米的液氢,并在高压条件下保存了它,温度达到了-205摄氏度。

然后,通过一个膨胀管迅速蒸发液氢,带走更多的热量,最终达到了-252摄氏度的新纪录。他成功地完成了法拉第所认为不可能的挑战,为低温物理学和科学研究做出了重要贡献。



然而,就在杜瓦成功后不久,一种新的气体的出现让他没有笑到最后,那就是氦气。氦气是一种惰性气体,它的沸点是-269摄氏度,比氢气还要低。要液化氦气,就需要更接近绝对零度。这个任务,就落到了荷兰的昂内斯的肩上。

昂内斯用了杜瓦的装置,以及大量的资金和人力,建造了一个液氢工厂,用液氢来冷却氦气,最终成功地制造出了液氦,达到了4.2开尔文(-268.95摄氏度)。

这是一个接近绝对零度的温度,在这个温度下,很多物质会表现出前所未有的状态,比如超流体、超导等。这些现象和规律,让昂内斯获得了诺贝尔奖。

这些科学家们的故事,就是一部极限挑战的传奇。他们用各种“土法制冷”的方法,试图接近绝对零度,从而揭开它的神秘面纱。他们的努力,不仅让我们对自然界有了更深刻的认识,也为我们的生活带来了许多便利。



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