挑战绝对零度

自然界的速度,如果不考虑方向性,任何物体的速度都落在零到光速的区间内,有上限光速和下限零。速度是描述物体运动快慢的物理量,因为运动有方向性,所以是矢量。通常人们说的速度是只有大小没有方向的,准确地说应该是速率,速率是个标量。
而温度是描述自然界物体冷热程度的物理量,温度的下限是绝对零度,即-273.15摄氏度,无上限,或曰上限是无穷大。物体的冷和热,本质上反应的就是物体内部分子热运动的强弱。分子运动越强越快,物体的温度越热越高,反之则越冷越低。当物体的分子不运动即静止时,物体的温度最低,科学家们把这个温度称为绝对零度,称K氏0度,换算成摄氏就是-273.15度。

上文中老芦说了航天的三大宇宙速度,这里说说经典力学里的牛顿三大定律:
1)物体不受外力时,永远保持静止或匀速运动状态,称为惯性,其大小与物体的质量成正比。
2)物体受到外力作用时,速度会改变,加速度与外力成正比,与物体的质量成反比。
3)两个质点相互作用时,作用力与反作用力大小相等,方向相反,作用在同一直线上。

牛顿不愧是科学大牛,一人提出三大定律,成为物理学的基石和里程碑。很有意思的是,热力学也有三大定律:
1)能量守恒定律,此定律无数学证明,但确颠扑不破,放之四海而皆准。
2)热量只能由高温物体传给低温物体,反之则不行。
3)绝对零度只能无限接近,但永远不可能实现。

热力学三定律是由一些科学家共同完成的,没有一个大牛能独立完成。迈尔,焦尔和汤普逊共同阐述了第一定律(1853年),第二定律则是克劳修斯于1850年表述的。第三定律1906年由能斯特发现,再经普兰克确证。上述的几位科学家,除了焦耳是英国人,其余的都是德国人,可见德国在现代科研中的巨大贡献。值得一提的是在热力学第一、二定律确立80年后,第三定律确立40年后,英国人福勒提出了热平衡定律,表述为:
如果两个热力学系统都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同),则它们彼此也必定处于热平衡。换句话说就是,如果A=C,B=C,则A=B。

这一结论虽然很简单,但却是热力学中最基本的实验定律,是三大定律的基础。既然是基础,称作热力学第四定律就有些不妥,所以被称做热力学第零定律,因而也就有了热力学四大定律的说法。这里老芦只想说说第三定律:绝对零度只能无限接近,但永远不能到达。这个定律与爱因斯坦的光速只能接近,永远不可能到达相似,但人类有自知之明,不说光速能无限接近,因为1-2百年的艰苦努力,人类只能达到每秒70公里的最高速度,距离光速每秒30万公里还差二十九万九千九百三十公里。如此巨大的差距根本无法去谈接近,无限接近就更是无稽之谈了。所以老芦前文不敢以《挑战光速》为题,只敢挑战速度,因为目前人类实在没有资格挑战光速。

人类将来能够挑战光速吗?霍金曾预言过,不管如何努力,人类最终所能达到的最高速度只可能达到光速的1/3!霍金的很多预言不可谱,老霍的这一预言也不靠谱。老芦以为,别说1/3,如果人类能达到光速的1/30,甚至1/300,都是非常了不起的成就。相比较,人类挑战低温,无限接近绝对零度却很靠谱,因为地球上南极的气温就是达到-88°C,科学家能把氮气液化,温度达-196°C,液化后的氦气温度是-269°C,离绝对零度-273.15°C已是非常接近,似乎触手可及了。

这个绝对零度是从何而来的呢?且听老芦细说从头。

1593年,伽利略利用物体热胀冷缩的原理制成了世界上的第一支温度计。
1742年,瑞典人摄尔修斯设计了摄氏温度计,他把水的冰点定为0°C,把水的沸点定为100°C,简易明了,至今被世界各国普遍沿用(除了美国佬还在使用华氏温度)。
1785年,法国人查理发现,一定量体积的气体,温度下降1°C,压强即降低1/273。
1802年,法国人盖 吕萨克发现,一定质量的气体,压强不变时,温度每降低1°C,体积即下降1/273,于是就得到查理-吕萨克定律。说明在-273°C 时,气体的压强和体积都归零。1848年英国开尔文勋爵建立了一个新的K氏温度标度,把-273.15°C定位0K,就是绝对零度,273.15K就是0°C。

利用相变(蒸发,升华等),加压,膨胀,深冷等种种手段,科学家们成动地制造了低温,液化了乙醚,氯气,二氧化硫,二氧化碳等临界温度较高的气体。临界温度很低的气体,如氧、氮、氢、氦等,须先冷却到它们的临界温度以下,再用等温压缩的方法使其液化。但有些临界温度很低的气体,过去没有办法使它们液化,曾称之为永久气体。后来随着低温技术的提高,1877年液化了氧气(-183°C),1898年得到了液态氢(-253°C),然后是液态氮(-196°C)。

最后一个被液化的气体是氦(-269°C),它是在1908年由荷兰人昂纳斯把它转变为液体的。方法是,先用液氧液氢预冷,再把它们放在压缩机里压缩,接着在热交换器中冷凝,再用绝热节流等技术,终于获得了4.2K的低温,制成了液氦,1928年人们又把氦凝成了固体。1911年,昂纳斯用液氦冷却水银到-269度°C,惊诧地发现水银的电阻完全消失,由此,开创了低温超导的新世界。

4.2K已经非常接近绝对零度了,然而人类并不满足。
1933年,人们用顺磁盐绝热去磁化的新技术,成功地获得了0.25K的低温。
1950年,人们用压缩液氦绝热固化的方法,获得了0.0001K的超低温!
1995年,美国科学家把铷原子冷却到了亿分之二K。今天通过绝热退磁方法,科学家已经把金属铑降温至-273.1499999999 ℃,比绝对零度仅仅高了100亿分之一度,这是目前最低的人造超低温。但是无论科学家怎么努力,都没有办法让物体冷却到绝对零度。只能非常非常地逼近绝对零度,却永远无法达到它。因为像光速一样,这就是自然界的铁的法则,何以如此?我们只能去问上帝了!

此条目发表在 谈天说地 分类目录,贴了 标签。将固定链接加入收藏夹。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已被标记为 *

您可以使用这些 HTML 标签和属性: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>