有哪些方法可以制作絕對零度？

在前幾年，“大力出奇跡”成了風靡一時的網絡流行語。這個詞語其實一開始是用在臺球這項運動上的，因為很多時候新人的技術不夠熟練，無法精準地將球打進洞中，所以常常會很用力地打出一桿，如果運氣夠好，就能把好幾個球都打進球袋里面。

Tips：臺球Billiard，是球類運動項目之一。運動員在臺球桌上，用超過91.4厘米長的球桿，按照一定的規則，通過擊白色主球，使目標球入袋的一項體育休閑項目。

然而，在科學領域中，也有一個能夠稱之為“大力出奇跡”的例子，那就是使用“土法制冷”來試圖到達絕對零度。在這條路上，已經有許多位科學家做出了努力，研究過程中獲得的成果也已經應用到了各個領域，為我們帶來了更加方便快捷的生活。

什么是“絕對零度”

因為人類可以很容易地感知冷熱的區別，所以溫度是人們相當直觀地掌握的科學特征。但是，人們在區分冷熱時，實際上體驗到的是系統包含的熱能。在日常生活中，我們通常會認為冷熱是一種相對的狀態。比如，我們會覺得一杯涼水比火更冷，但是要比冰塊更熱。但是絕對零度則是一個不需要比較的溫度，因為這是理論上的最低溫度，不可能有比它更低的溫度。按照攝氏度的標準來算，這個溫度是-273.15℃，按照華氏度的標準來算，這個溫度是-459.67℉。

Tips：溫度是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度數值的標尺叫溫標。

要了解絕對零度的前提是了解什么是溫度。溫度只是衡量物質中原子或分子移動速度的一種方法，或者更準確地說，是這些粒子的平均動能。如果把我們感受溫度的過程想象成一個原子躲避球游戲，當有原子擊中你時，你就能感受到它的能量。當我們在一個極小的范圍內被數以萬億計的躲避球擊中，就能夠感知到溫度。

當一個熱的物體接觸一個冷的物體時，更快、更熱的原子會把它的速度或者說能量傳遞給更慢、更冷的原子，隨后更熱的物體會冷卻下來，而原本更冷的物體溫度會上升。絕對零度中的“零”是有意義的，它指的是物質中的粒子基本都靜止時的溫度。因此，此時物質中的粒子已經不可能再減慢速度，也就沒有可以再傳遞出去的動能，所以不可能有更低的溫度。

Tips:粒子，最早發現的粒子是原子、電子和質子，1932年又發現中子，確認原子由電子、質子和中子組成，它們比起原子來是更為基本的物質組分，于是稱之為基本粒子。

不過，當達到絕對零度的時候，物質中的原子并不是完全靜止的，這就涉及到量子物理學方面的知識了。實際上，無論天氣溫度有多冷，每個原子內的活動都還是在繼續，無論是電子還是質子和中子，也都是如此。

發現絕對零度的是法國發明家紀堯姆·阿蒙頓，他在童年時期就失去了聽力，并且從未上過大學，但是他在1702年推論出了絕對零度的基本概念。他通過實驗表明，氣壓與溫度成正比，并推論出存在一個最低溫度，在該溫度下，氣壓會達到最低值。他甚至估計出了-240℃的數據，這非常接近絕對零度的實際值。

Tips：聽力hearing，是指啟動聽覺器官，接收語音信息的一種能力。其能力運用的有效性一般取決于傾聽是否專心。

1848年，在北愛爾蘭出生的英國物理學家威廉·湯姆森對阿蒙頓此前的研究成果進行了更深入的研究，他還有個更為人所知的身份是第一代開爾文男爵。湯姆森開發了一種被他稱為適用于所有物質的“絕對”溫標，他在溫度計上將絕對零設置為0，使溫度擺脫了負數，看起來更加直觀也更便于理解和記錄。一直到現在，物理學家們依然會使用開爾文(K)標度來進行溫度的測量。

Tips：威廉·湯姆森William Thomson，為英國的數學物理學家、工程師。也是熱力學溫標絕對溫標的發明人，被稱為熱力學之父。

目前為止，在整個宇宙中都不存在達到絕對零度的環境。宇宙誕生時的大爆炸殘留的能量使整個宇宙的溫度都上升了，所以宇宙中的溫度要比絕對零度高得多，太空中的平均溫度為2.74開爾文。但是，宇宙中一些天體的溫度甚至比真空環境還要冷。比如，有一種膨脹的氣體云，被稱為回旋鏢星云，它就像一個在宇宙空間中的冰箱，溫度約為1K，是宇宙中最冷的自然環境溫度。

那些挑戰絕對零度的科學家

2019年，一個來自劍橋大學的團隊試圖接近絕對零度這個熱力學定律允許下最冷的溫度。不過有一個問題：絕對零度是不可能達到的。因為當人們從物質中去除熱量時，嘗試越冷的溫度，熱量就會增加得越顯著。想要達到絕對零度，這之前的準備工作量是巨大的。即使能夠到達絕對零度，這個時候的原子和分子仍然會繼續運動。

Tips：旋鏢星云Boomerang Nebula，距離地球5000光年。尺度為2.1光年。是宇宙中最寒冷的地方，是距離地球5000光年的塵埃和氣體云。

量子力學表明，研究人員越接近絕對零度，物質的特性就越奇怪。例如，在足夠低的溫度下，液氦會變成超流體，這是一種沒有摩擦阻力的流動的液體。而且，它可以自發地向上流動并流出容器，能夠滲透進分子間的縫隙，在高速旋轉時保持完美靜止。最令物理學家驚訝的是，它能夠凝聚成一個“超級原子”，這種狀態也被稱為玻色-愛因斯坦凝聚。

科學家探索絕對零度的旅程始于18世紀初，當時紀堯姆·阿蒙頓說，如果溫度是系統中熱量的量度，那么必須有可能的最低溫度。然而，直到兩個世紀之后，阿蒙頓的理論才被人們真正重視，并且出現了許多與此理論相關的實驗。

Tips：超流體是一種物質狀態，特點是完全缺乏黏性。如果將超流體放置于環狀的容器中，由于沒有摩擦力，它可以永無止盡地流動。

1845年，邁克爾·法拉第第一個在挑戰絕對零度的相關實驗中得出了突破性的結果。在當時，他使用了初級的壓縮和冰浴方式，將多種氣體變為液態。根據當時的科學技術來看，能夠到達的最低溫度是-130℃。但是通過觀察法拉第的研究能夠發現，有幾種氣體是液化失敗了的，比如氧氣、氮氣和氫氣。由于當時的科學理論還不夠發達，所以法拉第將這幾種氣體定義為“永久氣體”，認為它們是不能被壓縮成液態的。

Tips：冰水浴就是在運動后讓身體表面暴露在低溫的水中 (一般低于攝氏15度)。不少專業體育訓練中心均設有特制的冰水池 Ice pool，或冰水桶 Ice Tub，而一般人亦可自行在浴缸開水加冰自制。

19世紀70年代末期，法國物理學家路易斯·保羅·卡耶泰解決了氧氣和氮氣無法液化的難題，在獲得液氧的同時達到了-183℃的低溫，在獲得液氮的同時達到了-196℃的低溫。在這個過程中，卡耶泰主要利用到的原理是焦耳-湯姆森效應。

Tips：焦耳-湯姆森效應:室溫常壓下的多數氣體,經節流膨脹后溫度下降,產生制冷效應,而氫、氦等少數氣體經節流膨脹后溫度升高,產生致熱效應。

實際上，焦耳-湯姆森效應并不是一種少見的現象。打火機中就有液化氣，當我們將打火機里的液化氣釋放一部分之后，就能夠感覺到液化氣出口的地方溫度明顯下降了。這就是焦耳-湯姆森效應的表現之一。這個效應在科學中的解釋是，在等焓環境下，氣體會膨脹，溫度也會隨之升高或者降低，這個過程就被稱為焦耳-湯姆森過程。在這個過程中，還存在一個標準叫做反轉溫度，如果環境溫度比反轉溫度更低，溫度就會下降，如果環境溫度比反轉溫度更高，溫度就會上升。

Tips：液化氣一般指液化石油氣。液化石油氣是在煉油廠內，由天然氣或者石油進行加壓降溫液化所得到的一種無色揮發性液體。

這也是氫氣和氦氣為什么在當時沒有被液化的原因，因為這兩種氣體的反轉溫度都比室溫要低得多，所以就算能夠使它們在室溫環境中膨脹，溫度也只會升高，而無法降低，自然也就不能被冷卻成液態。

如何用“土法制冷”挑戰絕對零度

成功將氫氣液化的人是蘇格蘭科學家詹姆斯·杜瓦。科學家們曾經認為，想要將氫氣液化，環境溫度必須要低于或等于-250℃。在當時，無論是設備和技術都遠遠無法達到這個條件。為此，杜瓦進行了新設備的研究和發明，同時也為后來的相關研究奠定了基礎。

Tips：詹姆斯·杜瓦爵士Sir James Dewar，1842年9月20日-1923年3月27日蘇格蘭物理學家，化學家，發明家。

杜瓦設計的方法其實原理很簡單，這也是被人們看作“大力出奇跡”的一個實驗。在杜瓦的方案中，首先將一種能夠在常溫環境下液化的氣體液化，再讓它膨脹降低溫度，利用這個低溫再去冷卻下一種液體，以此類推不斷循環下去，最終就能夠獲得一個足夠使氫氣液化的溫度。

在杜瓦之前，其實就已經有人提出過這樣的方案了，但是杜瓦是第一個把理論變成現實的人，因為他突破了儀器設備的桎梏。杜瓦通過氯甲烷、乙烯、氧氣、氫氣這樣的串聯方式制出了20立方厘米的液氫，存儲這些液氫的容器承受的壓力達到了180個大氣壓，溫度降低到了-205℃。之后，杜瓦又繼續將液氫進行膨脹降溫，最后使溫度下降到了-252℃，這已經是遠遠超越前人的一項研究成果了。

Tips：液氫是由氫氣經過降溫而得到的液體，是一種無色、無味的高能低溫液體燃料。一個大氣壓下的正常氫沸點為20.37 K，凝固點為13.96 K，密度為 70.85 kg/m。

但是，這個實驗順利結束之后沒過多久，惰性氣體氦氣就被發現了。這也就意味著，對絕對零度的挑戰還能夠再上一個臺階。在萊頓大學，海克·卡末林·昂內斯和他的同事們與世界各地的其他人競相開發液化氦氣的技術。經過多次的失敗之后，他們終于成功了。荷蘭國家科學和醫學史博物館布爾哈夫博物館館長德克范代爾夫特說，在當時，萊頓短暫地成為了地球上最冷的地方。

Tips：萊頓是荷蘭西部城市。在海牙東北16公里。人口11.7萬。公元922年見于記載，十二世紀城市環繞城堡發展，1266年建市。十四世紀紡織和印刷業發達。

昂內斯的成功其實歸功于最早的大功率制冷形式之一。昂內斯實驗室和現在世界各地實驗室的冷卻系統循環工作就和冰箱的原理一樣，冷卻過程本身類似于我們平時對著熱水吹氣使其冷卻。當人吹氣時，更混亂、移動更快速的水分子被蒸發，留下的分子平均移動的速度要更慢，這樣就能使水溫下降到一個適合飲用的溫度。然而，與使用內部蒸汽來降溫的日常冰箱不同，昂內斯使用的是氣態氦氣和液態的氫氣和氧氣來實現降低溫度。

Tips：一般制冷機的制冷原理壓縮機的作用是把壓力較低的蒸汽壓縮成壓力較高的蒸汽，使蒸汽的體積減小，壓力升高。

使氣態氦循環通過一個浸在冷液態氫和空氣中的腔室，昂內斯的團隊成功地獲得了足以使一小杯氦氣液化的低溫。在這樣做的時候，來自氣體的多余熱量消散，整個系統達到了只比絕對零度高6開爾文的溫度，這是當時最接近絕對零度的一次嘗試。而這項研究也使昂內斯獲得了1913年的諾貝爾獎。

Tips：海克·卡末林·昂內斯Heike Kamerlingh Onnes，1853～1926，荷蘭物理學家，1913年獲得諾貝爾物理學獎， 以表彰他對低溫物質特性的研究。

在這個實驗當中，他還意外地發現了超導性，這是指一種物質擁有能夠在沒有電阻的情況下攜帶電流的能力。這種特性應用在了現在的MRI探測器和巨型粒子加速器中，它們都使用了強大的超導磁體。就我們現在的生活來講，空調和冰箱這類制冷電器都是在這些科學家們的研究基礎上發明的。

小結

結合各個實驗來看，絕對零度是一個無法到達的溫度，但是在挑戰絕對零度的過程中，依然涌現了許多人類智慧的結晶。從絕對零度被提出到昂內斯的實驗成功，經歷了兩百多年的時間，這期間包含了眾多科學家的努力和奮斗。

Tips：超導性，指導體在某一溫度下，電阻為零的狀態。在實驗中，若導體電阻的測量值低于10-25Ω，可以認為電阻為零。

昂內斯使用的“土法制冷”最關鍵的一步就是制作出了能夠實現這個理論方案的設備，這也是他成功的最主要原因之一。我們現在的生活離不開科學家們夜以繼日地探究鉆研，因此，在享受美好便捷的生活的同時，也不能忘記這些科學家為全人類做出的貢獻。