进军“绝对零度”，一场永无止境的竞赛(1)
海克·卡末林·昂内斯是荷兰物理学家。1908年7月10日，他和同事们在实验室中将氦气凝结成了液体，首次实现了氦的液化。在这项研究中，昂内斯发现，当温度降至4.2K(约零下269℃)以下时，水银的电阻突然消失。开始，他以为这是水银的特殊现象，但后来发现锡、铅也有这种现象。昂内斯意识到，在非常低的温度下，某些物质的分子热运动会接近消失，出现电阻趋近为零的现象。他把这种现象称为超导，而处于超导状态下的物质则为超导体。
科学界很快意识到了昂内斯工作的巨大价值，1913年，昂内斯便获得了诺贝尔物理学奖。事实上，这是首个与“绝对零度”相关的诺贝尔物理学奖，因为昂内斯正是在进军“绝对零度”的征途中获此殊荣的，而超导只是在他获得了4.2K的低温时，物理世界向他展示的一幕奇异景观而已。今年正值此奖颁发100周年，让我们重温历史，并沿着人类探索低温世界的步伐走进一个全新的物理学天地吧!
温度的本质
温度无处不在，与人类的日常生活密切相关，然而在过去的很长一段时间里，温度的概念却并不清晰。早期的自然哲学家，例如伽利略、牛顿等人都认为热是一种“流”，而另一些人则认为“冷”是“致冷原子”造成的。与此同时，人们对温度的测量也很混乱。最可靠的早期温度计是利用液体受热膨胀的原理设计的。人们把一种液体约束在玻璃球或者玻璃管中，确定好两个固定的点，例如沸点和冰点，然后在两点之间标注刻度以显示液体表面的位置。这样一来，所谓“温度”就在这两点之间显示了出来，当时的人称之为“热度”。18世纪上半叶，德国人丹尼尔·伽百列·华伦海特和瑞典人安德斯·摄尔修斯分别创立了华氏温标和摄氏温标，这两种表示温度的方法一直沿用至今。
, 百拇医药
然而，使用液体测量温度依靠的是某种物质的物理特性，它只是相对地描述了所谓的“冷”和“热”。19世纪中叶，英国物理学家威廉·汤姆森试图不依赖任何单一物质的特性来定义温度，于是在1848年创立了热力学温标，这个温标成为现代科学的标准温标，被称为绝对温标。汤姆森于1892年被英国政府晋升为开尔文勋爵，所以这个温标又被称为开氏温标，以K为单位。
但温度究竟是什么呢？这个问题并没有得到解决，只有当人们理解了物质由原子构成的道理后才能获得答案。现在我们知道，所谓热其实就是原子运动时产生的动能；而所谓温度则是对原子运动速度的一种衡量。换句话说，温度是原子在物体内部运动的情况。当我们感到一个物体“热”的时候，说明其原子运动得快；当我们感到一个物体“冷”的时候，说明它的原子运动得慢。了解了这一点，我们对“绝对零度”是一种怎样的状态也就不难理解了：它是物体内部安静到极致的状态，在这种状态下，原子的运动完全停止了下来。
那么，接下来的一个问题必然是这样的：在“绝对零度”下，也就是当物质中的原子处于完全静止状态时，它的温度究竟是多少呢？
, 百拇医药
永不可及的“绝对零度”
17世纪一个名叫纪尧姆·阿蒙东的法国人发现，密封在一个容器中的气压会随着容器中空气温度的下降而下降。阿蒙东观察到，当空气从沸点降到冰点时，容器中的气压下降了大约四分之一。阿蒙东由此推测，假若空气继续冷却，气压便会在某个点上彻底消失，这个时候的温度应该没有办法再降了，也就是说达到了“绝对零度”。依照阿蒙东当时的测算，这个“绝对零度”相当于零下300℃左右。现在看来，阿蒙东的推测与正确的数值并没有差太多。今天，人们在绝对温标下确定的“绝对零度”相当于零下273.15℃。
“绝对零度”的确立等于在科学家的面前树起了一个“标杆”，谁先靠近它，谁便可以摘得一项科学的桂冠。到了19世纪晚期，这项进军“绝对零度”的竞赛便正式拉开了序幕。
然而，尽管通往“标杆”的道路就在眼前，但要真正完全达到“绝对零度”却是难以实现的。这是因为人们制造低温的方法类似于冰箱的运作，冰箱的内壁接触了更冷的物质，例如循环的致冷剂后，热便被带给了致冷剂中，从而使冰箱的内部得到冷却。假若你想把一个物体中的热量全部带走，使之达到“绝对零度”，你便必须使用一种比“绝对零度”更冷的物质，这种物质中原子的运动是如此之慢，乃至于比“静止不动”还要慢，但这怎么可能呢？再者，“绝对零度”意味着原子完全静止，气体的体积理应为零，但这也是不会发生的。所以，“绝对零度”永远不可能达到，只能无限接近。
, http://www.100md.com
在冰箱中，制冷剂通过膨胀变得更冷，由于压力的降低，其内部分子的运动便缓慢了下来。在追逐“绝对零度”的竞赛中，人们在起初的阶段使用的就是这种方法。那个时候，一种接一种的气体被压缩，然后快速膨胀，这个过程不仅降低了温度，还把气体凝结成了液体。19世纪70年代后期，法国人路易斯·保罗·卡耶泰使用这种方法在零下183℃的时候得到了液态氧，在零下196℃的时候得到了液态氮。1898年，苏格兰人詹姆斯·杜瓦在零下250℃的时候得到了液态氢。这以后，就只剩下氦了。氦的原子连接松散，这使它成为最难液化的气体，但昂内斯做到了，这就有了文章开始时描述的那一幕：他发现了超导现象。
但事情并没有就此结束，接下来发生的事情更是令人惊讶。通常情况下，氦核包含两个中子和两个质子，所以氦的最常见的原子形式是 氦-4。然而，当温度降至3.2K时，一种更轻的原子出现了，它是氦-3，比氦-4稀少1000倍。氦-3只有1个中子，一旦液化，它的“行为”和氦-4便完全不同。人们很难想象，仅仅只是少了一个中子，液氦的物理性质就变得不同了。当温度继续下降到2.17K时，液氦表面翻涌的气泡突然没有了，液体变得异常平静，这是怎么回事？原来一部分液氦进入到了一种全新的状态：它完全没有了黏性，没有了摩擦力，可以永无止尽地流动，可以轻易地流过微管，可以无任何阻碍地通过连气体都无法通过的狭缝，这就是超流态。在这种状态下，不论液体的哪个部分变得更热或者将出现气泡，它都能将热量移开，使气泡无法形成，所以液氦的表面才变得如此平静。, 百拇医药(张唯诚)
科学界很快意识到了昂内斯工作的巨大价值，1913年，昂内斯便获得了诺贝尔物理学奖。事实上，这是首个与“绝对零度”相关的诺贝尔物理学奖，因为昂内斯正是在进军“绝对零度”的征途中获此殊荣的，而超导只是在他获得了4.2K的低温时，物理世界向他展示的一幕奇异景观而已。今年正值此奖颁发100周年，让我们重温历史，并沿着人类探索低温世界的步伐走进一个全新的物理学天地吧!
温度的本质
温度无处不在，与人类的日常生活密切相关，然而在过去的很长一段时间里，温度的概念却并不清晰。早期的自然哲学家，例如伽利略、牛顿等人都认为热是一种“流”，而另一些人则认为“冷”是“致冷原子”造成的。与此同时，人们对温度的测量也很混乱。最可靠的早期温度计是利用液体受热膨胀的原理设计的。人们把一种液体约束在玻璃球或者玻璃管中，确定好两个固定的点，例如沸点和冰点，然后在两点之间标注刻度以显示液体表面的位置。这样一来，所谓“温度”就在这两点之间显示了出来，当时的人称之为“热度”。18世纪上半叶，德国人丹尼尔·伽百列·华伦海特和瑞典人安德斯·摄尔修斯分别创立了华氏温标和摄氏温标，这两种表示温度的方法一直沿用至今。
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然而，使用液体测量温度依靠的是某种物质的物理特性，它只是相对地描述了所谓的“冷”和“热”。19世纪中叶，英国物理学家威廉·汤姆森试图不依赖任何单一物质的特性来定义温度，于是在1848年创立了热力学温标，这个温标成为现代科学的标准温标，被称为绝对温标。汤姆森于1892年被英国政府晋升为开尔文勋爵，所以这个温标又被称为开氏温标，以K为单位。
但温度究竟是什么呢？这个问题并没有得到解决，只有当人们理解了物质由原子构成的道理后才能获得答案。现在我们知道，所谓热其实就是原子运动时产生的动能；而所谓温度则是对原子运动速度的一种衡量。换句话说，温度是原子在物体内部运动的情况。当我们感到一个物体“热”的时候，说明其原子运动得快；当我们感到一个物体“冷”的时候，说明它的原子运动得慢。了解了这一点，我们对“绝对零度”是一种怎样的状态也就不难理解了：它是物体内部安静到极致的状态，在这种状态下，原子的运动完全停止了下来。
那么，接下来的一个问题必然是这样的：在“绝对零度”下，也就是当物质中的原子处于完全静止状态时，它的温度究竟是多少呢？
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永不可及的“绝对零度”
17世纪一个名叫纪尧姆·阿蒙东的法国人发现，密封在一个容器中的气压会随着容器中空气温度的下降而下降。阿蒙东观察到，当空气从沸点降到冰点时，容器中的气压下降了大约四分之一。阿蒙东由此推测，假若空气继续冷却，气压便会在某个点上彻底消失，这个时候的温度应该没有办法再降了，也就是说达到了“绝对零度”。依照阿蒙东当时的测算，这个“绝对零度”相当于零下300℃左右。现在看来，阿蒙东的推测与正确的数值并没有差太多。今天，人们在绝对温标下确定的“绝对零度”相当于零下273.15℃。
“绝对零度”的确立等于在科学家的面前树起了一个“标杆”，谁先靠近它，谁便可以摘得一项科学的桂冠。到了19世纪晚期，这项进军“绝对零度”的竞赛便正式拉开了序幕。
然而，尽管通往“标杆”的道路就在眼前，但要真正完全达到“绝对零度”却是难以实现的。这是因为人们制造低温的方法类似于冰箱的运作，冰箱的内壁接触了更冷的物质，例如循环的致冷剂后，热便被带给了致冷剂中，从而使冰箱的内部得到冷却。假若你想把一个物体中的热量全部带走，使之达到“绝对零度”，你便必须使用一种比“绝对零度”更冷的物质，这种物质中原子的运动是如此之慢，乃至于比“静止不动”还要慢，但这怎么可能呢？再者，“绝对零度”意味着原子完全静止，气体的体积理应为零，但这也是不会发生的。所以，“绝对零度”永远不可能达到，只能无限接近。
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在冰箱中，制冷剂通过膨胀变得更冷，由于压力的降低，其内部分子的运动便缓慢了下来。在追逐“绝对零度”的竞赛中，人们在起初的阶段使用的就是这种方法。那个时候，一种接一种的气体被压缩，然后快速膨胀，这个过程不仅降低了温度，还把气体凝结成了液体。19世纪70年代后期，法国人路易斯·保罗·卡耶泰使用这种方法在零下183℃的时候得到了液态氧，在零下196℃的时候得到了液态氮。1898年，苏格兰人詹姆斯·杜瓦在零下250℃的时候得到了液态氢。这以后，就只剩下氦了。氦的原子连接松散，这使它成为最难液化的气体，但昂内斯做到了，这就有了文章开始时描述的那一幕：他发现了超导现象。
但事情并没有就此结束，接下来发生的事情更是令人惊讶。通常情况下，氦核包含两个中子和两个质子，所以氦的最常见的原子形式是 氦-4。然而，当温度降至3.2K时，一种更轻的原子出现了，它是氦-3，比氦-4稀少1000倍。氦-3只有1个中子，一旦液化，它的“行为”和氦-4便完全不同。人们很难想象，仅仅只是少了一个中子，液氦的物理性质就变得不同了。当温度继续下降到2.17K时，液氦表面翻涌的气泡突然没有了，液体变得异常平静，这是怎么回事？原来一部分液氦进入到了一种全新的状态：它完全没有了黏性，没有了摩擦力，可以永无止尽地流动，可以轻易地流过微管，可以无任何阻碍地通过连气体都无法通过的狭缝，这就是超流态。在这种状态下，不论液体的哪个部分变得更热或者将出现气泡，它都能将热量移开，使气泡无法形成，所以液氦的表面才变得如此平静。, 百拇医药(张唯诚)