科学史上，最经典的大力出奇迹：通过“土法制冷”来挑战绝对零度

要说“土法制冷”那第一反应就是非洲那些小哥用泥土制造的“土冰箱”了。不过此土法非彼土法，咱们今天要说的“土法制冷”实际上是科学家们对绝对零度的挑战。

非洲小哥制造“土冰箱”

那么用这个方法挑战成功了吗？很遗憾，并没有成功，而且在宇宙中永远不可能实现。

绝对零度是个什么概念？为何绝对零度是我们无法触及的“禁区”？把“土法制冷”的方法用到极致后的结果是什么？科学家为了挑战绝对零度还做了什么？

绝对零度：是热力学的最低温度

就像一个数学问题的提出，有时候需要几百年才能得到验证。绝对零度的概念同样让一众科学家纷纷向其发起挑战。今天我们就来了解一下科学家们挑战绝对零度的过程，看他们如何创造出科学界最经典的大力出奇迹，将“土法制冷”用到极致的呢？

普朗克温度和绝对零度的概念

在说绝对零度之前，我们首先要知道宇宙中的温度是什么。温度对于我们来说就是身体对这个世界十分直观的感知，温度高了会热，温度低了会冷。

浩瀚的宇宙

一旦有了这个认知后，人们也就对宇宙中的温度产生了疑问。人们在探索世界的时候，就喜欢从“最”开始，于是科学家就开始研究，宇宙中的最高温度和最低温度是多少。

而从微观上讲，温度是物体粒子热运动的剧烈程度。也就是说当粒子的运动达到最大速度时，这时的温度就是宇宙中的最高温度。在量子力学中，科学家将普朗克单位作为一个基础极限的单位。

气体、液体和固体中，粒子的状态完全不同

普朗克温度就是温度的基础上限，通过计算，我们得出的宇宙最高温度大概就是1.4亿亿亿亿℃。而在宇宙大爆炸理论中，在宇宙爆炸的那一瞬间就达到过普朗克温度。

关于普朗克温度的概念咱们就先点到为止，接下来说的才是今天的重点，也就是温度的最低极限，绝对零度。

宇宙最高温度大概就是1.4亿亿亿亿℃

• 绝对零度概念的提出

我们现在知道的关于绝对零度的概念，就是当粒子不再进行热运动时，就可以达到绝对零度，也就是0K，用摄氏度表示就是-273.15℃，用华氏度来表示就是-458.67℉。

最开始引出对绝对零度探讨的，是法国物理学家纪尧姆·阿蒙顿。他在1702年提出低温是否有极限的问题。最开始阿蒙顿研究的是摩擦力，后来他又发现气体中的温度和气压存在某种关系。

水银体温计

于是经过实验，得出温度与气压的关系成正比，当时做的实验就是将装有空气和水银的温度计放到水里，由此来观察温度的变化。根据温度计上的刻度显示，当水结冰时为51，当水沸腾时为73。

我们将其与现在的温度进行换算，可以发现阿蒙顿使用的温度计的刻度单位为4.55℃。阿蒙顿得出的结论是，当空气的体积与相应压力为零时，也就是达到温度计上的刻度0时，就不能再继续冷却。

温度计

于是我们可以根据其刻度单位，计算出阿蒙顿得出的最低温度是-232.05℃。不过这还没有达到我们现在概念上的最低温度。随后的几十年里，又有很大一部分科学家钻进了研究最低温度的洞里。

时间来到1785年，法国物理学家雅克·查尔斯通过实验发现体积恒定下，当温度已经达到0℃时，每下降1℃，压强就会降低1/237。当压强降低为零时，得到的最低温度就是-237℃。

分子运动与温度的关系

而正式定义绝对零度的是英国物理学家威廉·汤姆森，他在19世纪时对前人的结论进行总结。将绝对零度的状态解释为，粒子的运动完全停止，其内能也就降至为零。

他还在1848年建立了一个不依赖任何单一材料性质的热力学温度标度，也就是现在的绝对温标。由于后面威廉晋升为开尔文公爵，于是在1892年时，这个标尺也就成了现在的开尔文标尺，单位为K。

不同温度尺度比较

绝对零度在宇宙中不可能实现

为什么说绝对零度是我们无法触及的“禁区”呢？我们知道，当粒子不再进行热运动时，它的动能也就不存在了，不过其势能仍然存在，而内能并不会直接降至为零，而是趋近于零，达到最小值。

由于宇宙中的一切物质都由基础粒子构成，所以除非宇宙直接变成不包含任何物质的真空状态，否则就不可能达到绝对零度，而只能无限趋近于绝对零度。

组成物质的基本粒子

即便是宇宙中最冷的地方，回力棒星云的温度也有1K，也就是-270.35℃，仍然要比绝对零度高几摄氏度，不过已经十分接近绝对零度了。

科学家用“土法制冷”挑战绝对零度

其实有很多科学家在最低温度的问题提出来后，就一直致力于达到绝对零度，尽管当时的概念还没有很清晰。

迈克尔·法拉第

最开始科学家们局限于在气体状态下寻找绝对零度，但结果可想而知。直到1845年，迈克尔·法拉第用初级压缩和冰浴的方法，获得了几种液态气体，最低温度达到-130℃。

其实这也算一次偶然的发现，当时法拉第用水合氯醛的方式制作出了液态氯。结果他把液态氯放到密封的试管后，突然发生爆炸，然后液态氯就瞬间变成了气态。

物态变化有6种：熔化、凝固、汽化、液化、升华、凝华

于是法拉第就想到，那是不是气态的氯也会在压力下转化为液态呢？随后为了证明这个观点，他就进行了一系列实验。

结果他确实获得了很多气体的液态形式，但是有几种气体他却拿它们没有办法，氧气、氮气、氢气被法拉第认为是无法被压缩成液态的“永久气体”。

焦耳-汤姆孙效应示意图

于是后来的科学家就开始对这几种气体进行钻研和实验。先是法国科学家路易斯·保罗·卡耶泰用焦耳-汤姆孙效应（气体在节流过程中，温度会随压强的变化而变化），获得了-183℃的液氧和-196℃的液氮。

那么接下来就是攻克液氢了，当时苏格兰物理学家詹姆斯·杜瓦就成功解决了这个难题。

詹姆斯·杜瓦

之前获得液氧和液氮用到的主要是一种“阶式液化的方式，就是先获得一种比较容易获得的液态气体，然后再用这个气体，通过增加压力的方式给另外一种气体降温，从而达到第二种气体的液态。

而杜瓦当然也想用这种“土方法”，但是液态的沸点低至-252.78℃，显然当时的设备没有办法做到。于是在这样的境况下，杜瓦只能想办法发明一种新的设备。

正在实验室里拿着杜瓦瓶的詹姆斯

咱就是说，这种看似无法完成的挑战，只要心中足够坚定，或许就真能像杜瓦一样“大力出奇迹”。

他成功制造出新的设备，并通过“阶式液化”将氯甲烷、乙烯、氧气和氢气进行多级串联，最后得到20cm3的液氢，温度低至-205℃。随后又将这些液氢放到膨胀管中，使其温度又降至-252℃。

从左至右分别为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气

不过氢气并不是最难翻越的那座高山，因为在它之后，还有一种叫做氦气的惰性气体。

于是荷兰科学家昂内斯就“捡了个漏”，在1908年，他直接用杜瓦的装置，然后花了一笔资金建立了一个液氢工厂，最后得到温度低至-268.95℃的液氦。

昂内斯得出-268.95℃的液氦

后来他还在实验中发现，当温度降至最低时，汞和铅的电阻会消失，还有一些其他物质同样会在低温下失去热运动，使得电阻无限接近于0，于是就有了现在熟知的超导现象。

这一发现还让他在1913年获得了诺贝尔物理学奖。

诺贝尔奖

不得不说，科学家们的意志力是真的好啊。一百多年的时间，经过重重磨难，终于从最初的概念到最后的“土法制冷”实践，从气体到液态气体，从法拉第的-130℃到昂内斯的-268.95℃。

不够关于绝对零度的挑战并没有结束，如今科学家已经通过激光冷却和蒸发冷却的方式达到了0.5K，这一结果已经十分接近绝对零度了。

绝对零度就是0K（约为-273.15℃或-459.67℉）

而且科学家还通过钾原子超冷量子气体证明了磁场系统中的负绝对零度，其数值不过-1/1,000,000,000K。但这已经在一定程度上，打破了无法触摸绝对零度的可能。