立秋已過，但持續(xù)的高溫卻絲毫沒有減弱，每當(dāng)這時大家都會“哪涼快哪呆著”?，F(xiàn)代人可以躲在屋里吹空調(diào)，古代君王往往選擇奔向各大避暑山莊等氣溫相對較低的地方。

地球上最冷的地方自然是冬季的南北兩極，那你知道目前已知宇宙間最“涼快”的地方是哪里嗎？那就是半人馬座的回力棒星云，這個區(qū)域物質(zhì)的溫度分布非常接近溫度中的絕對零度。

那么什么是絕對零度呢？它和我們常用的攝氏度之間有什么關(guān)系呢？人類又是怎樣發(fā)現(xiàn)絕對零度的呢？

來源｜Pinterest

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溫度的下限人類對溫度的認(rèn)知，一開始的關(guān)注點(diǎn)在于水。17世紀(jì)荷蘭物理學(xué)家惠更斯和英國物理學(xué)家胡克共同測定了水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)。

來源｜TekStream Blog

1742年，瑞典天文學(xué)家攝爾修斯規(guī)定，水的沸點(diǎn)溫度為0，冰點(diǎn)為100，中間等分成100份，于是最早的攝氏溫標(biāo)問世，用這套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度被稱為攝氏度。

用水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)規(guī)定攝氏溫標(biāo)

來源｜Mini Physics

讀到這里小伙伴們可能會疑惑：不對啊，這咋和我們現(xiàn)在攝氏度的數(shù)值反著呢？明明冰的溫度更低，為啥溫度的數(shù)值反而比沸水高啊？

這是因?yàn)閿z爾修斯生活在瑞典，如果按照現(xiàn)在的攝氏度來標(biāo)定溫度，那么一年里很長時間內(nèi)瑞典的溫度都是負(fù)的，用起來很不方便。

于是，生活在瑞典的攝爾修斯為了避免溫度總是出現(xiàn)負(fù)值，就這樣規(guī)定了最早的攝氏度。

攝爾修斯：別問為什么，就是圖個方便

來源｜維基百科

后來，攝氏度漸漸被普及，這期間攝氏度的定義也被不斷地完善。人們考慮到了氣壓對水沸點(diǎn)和冰點(diǎn)的影響，并且將0度和100度的位置調(diào)換了過來，成為了現(xiàn)在我們熟悉的攝氏溫標(biāo)。

顯然，攝氏溫標(biāo)的規(guī)定，主要是針對人類活動范圍內(nèi)大部分可以測到的溫度，很大程度上是出于方便。

不過，自然界中的溫度是可以遠(yuǎn)超出冰點(diǎn)和沸點(diǎn)的，但是溫度可以達(dá)到無限高或無限低嗎？如果存在溫度的極限，它們究竟在哪里呢？

大約在1787年，法國物理學(xué)家查理在研究氣體的恒壓膨脹問題時，發(fā)現(xiàn)了壓強(qiáng)一定時，氣體的體積會受到溫度的影響。

不過，查理發(fā)現(xiàn)的這個規(guī)律并沒有被發(fā)表，直到1802年，法國化學(xué)家蓋·呂薩克證明壓強(qiáng)不變時，任何氣體當(dāng)升高相同溫度時，體積會膨脹相同的比例，即任何氣體都具有相同的熱膨脹系數(shù)。他用實(shí)驗(yàn)揭示了定量氣體在恒定壓強(qiáng)下，氣體體積與溫度間的關(guān)系。

蓋·呂薩克

來源｜維基百科

研究發(fā)現(xiàn)，氣體在0℃也能繼續(xù)降溫變冷，溫度每降低1℃，氣體的體積就會減小0℃時的1/273。

人們意識到，從這個看似尋常的結(jié)果中可以得到一個不太尋常的推論：

如果恒壓下一直給氣體降溫（假設(shè)能一直維持在氣體的狀態(tài)不液化為液體），那么當(dāng)溫度下降到-273℃時，氣體的體積就會減到0。這時如果繼續(xù)降溫會發(fā)生什么呢？體積變?yōu)樨?fù)值嗎？似乎不太可能。

于是，人們就大膽猜測，在-273℃時，氣體的體積將變?yōu)?，不能再減小了，此時就達(dá)到了理論中的最低溫度。這便是人們對“最低溫度”最早的認(rèn)識。

時間從18世紀(jì)步入19世紀(jì)，溫度的本質(zhì)漸漸被人們揭示。

以伯努利、羅蒙諾索夫、克勞修斯、麥克斯韋、玻爾茲曼、威廉·湯姆森為代表的科學(xué)家認(rèn)為溫度是分子運(yùn)動的表現(xiàn)，分子運(yùn)動越劇烈，平均動能越高，溫度就越高；分子運(yùn)動越不劇烈，平均動能越低，溫度就越低。

要知道動能可是有下限的，最小值為0，不可能出現(xiàn)負(fù)的動能，因此溫度也不可能無限地降低，一定存在某個最小值。當(dāng)分子的平均動能為0時，意味著所有分子都停止了運(yùn)動，此時溫度達(dá)到了最低點(diǎn)。

左為攝氏度溫標(biāo)，右為開爾文溫標(biāo)

來源｜Mini Physics

1848年，英國物理學(xué)家威廉·湯姆森發(fā)表了一篇題為《關(guān)于一種絕對溫標(biāo)》的文章，他將該溫標(biāo)的0點(diǎn)規(guī)定在了溫度的最低值，大約在-273℃左右（沒錯就是在剛才的假想情形中，氣體體積為0時的溫度）。

后來人們將這個數(shù)精確到-273.15℃，這就是我們常說的絕對零度。絕對溫標(biāo)就是以絕對零度作為溫度的計(jì)算起點(diǎn)，即-273.15℃=0K。

絕對溫標(biāo)最顯而易見的好處是不存在負(fù)值。此外，絕對溫標(biāo)不依托于具體的物質(zhì)，它沒有用水或任何物質(zhì)來標(biāo)定溫度，完全從理論上給出了定義。

之后湯姆森還在科學(xué)上取得了各類成就，獲得了英女皇授予開爾文勛爵銜，后世改稱他為開爾文勛爵。

人們?yōu)榱思o(jì)念他，用他的稱號命名了絕對溫標(biāo)的單位——開爾文（K）。

威廉·湯姆森：開爾文和我是同一個人

來源｜維基百科

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“絕對零度”能達(dá)到嗎？
如果溫度一旦達(dá)到絕對零度，氣體體積真的能變?yōu)榱銌?？或者說，絕對零度真的可以達(dá)到嗎？

按照開爾文的理論，在絕對零度下，分子將不殘留有任何一點(diǎn)點(diǎn)動能，這種難以想象的極端假設(shè)困擾著科學(xué)家們，沒有任何動能的原子會存在嗎？此時的原子會是什么樣的狀態(tài)呢？

這個問題困擾了人們很久，科學(xué)家漸漸認(rèn)識到絕對零度似乎只能接近，不能達(dá)到，可望而不可及。

終于在1906年，答案揭曉。

德國物理學(xué)家能斯特在研究低溫化學(xué)反應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度不斷逼近絕對零度時，等溫過程和絕熱過程會“融為一體”，變成同一種過程。后來這個規(guī)律被稱為能斯特定理。

等等，節(jié)奏太快，等溫過程，絕熱過程都是啥？

在前面我們已經(jīng)認(rèn)識了等壓過程，而等溫過程指的是在整個過程中系統(tǒng)的溫度不變，而絕熱過程就是整個過程中系統(tǒng)內(nèi)部和外部之間完全沒有熱量交換。

等溫和絕熱兩種過程“融合為一體”？能斯特的發(fā)現(xiàn)的這個結(jié)論已經(jīng)十分匪夷所思，但是由能斯特定理得到推論更是讓人驚訝。由能斯特定理可以推出：不可能用有限的過程把溫度降到絕對零度，這條規(guī)律又被稱作熱力學(xué)第三定律。

能斯特：一不小心發(fā)現(xiàn)了溫度的下限

來源｜維基百科

就此關(guān)于絕對零度的種種猜想終于有了定論，溫度的確存在下限，不可能無限地降低，這個下限就是絕對零度。

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低溫下的神奇現(xiàn)象
雖然絕對零度永遠(yuǎn)不可能達(dá)到，但是這似乎并不妨礙人們對低溫極致的追求。這是因?yàn)椴牧显诮咏^對零度時會顯現(xiàn)出一些奇異的性質(zhì)，比如超導(dǎo)、超流體就是在低溫下發(fā)現(xiàn)的。

目前已知宇宙的空間平均溫度為2.74K，科學(xué)家觀測到在距離我們僅僅5000光年的半人馬座，存在一個名為回力棒的星云，它就是宇宙的極寒之地，溫度約為1K，是目前已知宇宙中人類觀測到最冷的自然發(fā)生地點(diǎn)。

宇宙最冷之地 半人馬座回力棒星云

來源｜NASA, ESA and The Hubble Heritage Team

但人類在地球上的制造的低溫甚至比這團(tuán)星云更加接近絕對零度。麻省理工學(xué)院的研究人員在2003年，使用激光束減緩了鈉原子的速度，將其冷卻到絕對零度以上的十億分之一度，但距離絕對零度也總是差那么一點(diǎn)點(diǎn)距離。

人類關(guān)于絕對零度的研究還在不斷的深入中，相信未來的科學(xué)會越來越發(fā)達(dá)，會有發(fā)現(xiàn)更多的理論支撐我們對星辰大海的探索。

審核專家：吳寶俊理論物理博士

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