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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