科學史上最經典的「大力出奇跡」,莫過於用「土法制冷」挑戰絕對零度

在和人爭吵空調到底設26度還是27度的問題上,在運動過後從小賣部買的飲料是否夠冰的問題上,在手遊裡欣賞璃月港景色時手掌是否被「煎烤」的問題上,你會驚奇的發現自己原來對區區幾度的變化那麼敏感。

然而,如果跳脫對溫度的體感,不談添衣加褲這些家常事,你又對溫度有多少了解呢?

俗話說:學語言從粗口開始,漲知識從「之最」起步。按照物理學的定義,溫度反應的是分子熱運動的劇烈程度,溫度高代表分子平均熱運動的動能大。

通過理論,我們可以推出宇宙中的溫度極限,對於高溫來說,質量最大的微觀粒子以光速運動時即為溫度的上限,數值超過10^32 K,稱為普朗克溫度。

對於低溫的極限,大家應該會更為熟悉,也就是所謂的「絕對零度」,數值為0 K,換算成常用的溫度單位即為-273.15攝氏度,是一個僅存在於理論中而不可能達到的極限值。

如果問起「絕對零度」是怎麼來的,恐怕沒有幾個人能答得上來,關於它的故事說來也挺神奇的,在絕對零度的概念提出時,根本沒有人能夠哪怕接近這樣一個數字。

一百多年後,才有人制成液氦,達到了-269°C(4.2 K)的低溫,而實現製得液氦的方法說複雜也複雜,說簡單也簡單,總之不是用冰箱。

絕對零度概念的提出不是一蹴而就的,也是經過了好幾代人觀察總結。最早在1702年,法國物理學家紀堯姆·阿蒙頓提出了寒冷是否有極限的議題。

他改進了一種使用空氣和水銀溫度計,空氣的體積隨著溫度變化,帶動一截水銀移動來顯示刻度,溫度計的最小數值有極限,也就是零點,按照今天的推算約為-240°C。

直到18世紀末,也有不少物理學家嘗試去探尋這個低溫的極限。1785年,又是來自法國的物理學家雅克·查爾斯,他發現了氣體在壓強恆定時,溫度與體積的變化關係。

他在實驗中發現,在體積恆定的情況下,溫度每降低1°C,氣體的壓強大概降低其在0°C時壓強的1/273,按照這一個規律推算,當氣體溫度降低到-273°C時,壓強就變為零了,真空了,不存在了。

這顯然是一個不可能達到的極限,隨後,英國物理學家威廉·湯姆森(也就是開爾文男爵,開爾文原為一條河的名字)根據前人的總結和推測,給出了第一個正式的絕對零度概念,並且解釋為物體內能降低至零,分子運動完全停止的狀態。

這些科學家以及開爾文爵士等於給後人立下了熱力學領域的其中一個終極目標,接下來就是一場挑戰絕對零度的曠世大作戰。

還是那句話,遠大的目標不可能一步就實現,絕對零度的挑戰實際上演變為了一種液化氣體的曠世大競賽,而每攻克一種氣體也就意味著登上了一座山頭,當然最終的目標還是那個在雲端的不可能極限。

那是一個充滿鬥志的大探索時代,同期進行的還有抵達南北極點的競賽,但這裡就不展開了。

第一個關鍵人物是我們熟悉的麥可·法拉第,到1845年他就已經通過初級的壓縮和冰浴,獲得了多種氣體的液態形式,以他當時的技術,能夠獲得最低-130°C的低溫。

不過,在他的嘗試中也有幾種無論如何也無法液化的氣體,包括氧氣、氮氣、氫氣,受限於當時的理論,法拉第認為這幾種氣體屬於「永久氣體」,無法被壓縮成液態。

現實當然不是法拉第他老人家認為的那樣,這幾種氣體只是有些頑固,不過法拉第也算是把挑戰絕對零度的進度提到了山腳下,而面前的幾座山頭,正是氧氣、氮氣、氫氣等。

到了1870年代末,法國人路易斯·保羅·卡耶泰率先製得了液氧和液氮,兩者分別能獲得-183°C和-196°C的低溫,其中用到了一個重要的原理——焦耳-湯姆森效應。

從現象上來看,焦耳-湯姆森效應其實還算比較常見,比方說我們玩打火機時,如果不點燃單純釋放裡面的液化氣一會,就能摸到液化氣出口處有冰冷的感覺,這就是效應描述的現象之一。

更具體和嚴謹的描述是,氣體在等焓的環境下膨脹,會使溫度上升或下降。另外,存在一個所謂反轉溫度,當環境溫度低於反轉溫度,通常表變現為溫度下降,反之溫度上升。

氣體等焓膨脹時存在兩種變化:分子平均距離增加,勢能上升令動能下降,使溫度下降;分子平均距離增加也會導致單位時間內平均碰撞次數下降,碰撞轉化的勢能下降,動能上升導致溫度上升。

總結起來就是當環境溫度低於反轉溫度時,前者導致的溫度下降比較顯著,而環境溫度高於反轉溫度時,後者導致的溫度上升比較顯著。大部分氣體的反轉溫度都高於室溫,即膨脹過程溫度下降。

但是,氫氣和當時還沒有被分離出來的氦氣都是例外,它們的反轉溫度要遠低於室溫,即便製取到了它們在室溫下膨脹反而會升溫。

接下來的重要人物是來自蘇格蘭人詹姆斯·杜瓦,他要挑戰的正是當時最後一種「古怪」的「永久氣體」氫氣。

當年的科學家們預計要製得液態的氫,至少要達到-250°C,而這個溫度以當時的技術和設備是一個不可能的挑戰,杜瓦也必須要發明新的設備,他的貢獻也恰恰在此。

杜瓦的方案從原理上來說並不複雜,可以說是「大力出奇跡」,他設想的方案是,先用一種可以在常溫下壓縮液化的氣體,液化後再使其膨脹獲得低溫,冷卻下一種更難被液化的氣體,液化後再冷卻下一種……

如此環環相扣,最終就可以獲得足夠低的溫度,讓氫氣液化,這種多級串聯的方案或許不是杜瓦獨創,但是卻是他真正實現的,關鍵就在於儀器設備的製造。

儀器設備需要大量的資金,杜瓦因此會在皇家學會的實驗室向客人演示一些液化氣體的獨特屬性,用實驗來吸引大家的注意力。

但是實驗哪能一帆風順,1886年,倫敦發生了一起可怕的爆炸,杜瓦在實驗中不慎將液氧和液態乙烯混合在了一起引起了爆炸,差一點斷送了他的科學生涯。

不過,很快杜瓦就通過氯甲烷-乙烯-氧氣-氫氣多級串聯的方式製得了僅僅20立方厘米的液氫,當時儲存的罐體承受了180個大氣壓,溫度達到了-205°C。

杜瓦再將液氫通入膨脹管,看著溫度計度數穩步下降,最終獲得了-252°C的新紀錄,算是完成了他所敬佩的前輩法拉第口中不可能的挑戰。

然而,就在實驗成功後不久,一種新的氣體的出現沒能讓杜瓦笑到最後,惰性氣體氦氣被發現並製得,簡直是柳暗花明又一村。

接下來,荷蘭人昂內斯接過重擔,他用杜瓦的裝置以及鈔能力建造的液氫工廠,也是大力出奇跡般的製得了液氦,達到了4.2K(-268.95°C)。

在這個接近絕對零度的溫度下,很多物質會表現出前所未有的狀態,包括流體力學、電磁學等等相關的特性,這也讓昂內斯斬獲了諾貝爾獎。

我們今天用的一些製冷電器,包括空調、冰箱,其實從原理上來說都離不開這幫研究氣體的科學家們的貢獻。當年為昂內斯製作儀器的工匠成立了公司,生產保溫瓶,名叫「Thermos」。

但是說來也有些遺憾,杜瓦在1923年去世,同一年家用的電冰箱才被髮明出來,而三年之後,昂內斯也去世了,他們為製冷奮鬥了一輩子,最終是沒有用上冰箱的。

希望各位內心存有求知慾的青年們,你們在打開冰箱享用冷飲的時候可以想起這段傳奇史話。

劉霞. 追尋絕對零度的奇幻旅程[N]. 科技日報,2013-09-21(002).

徐澤智.絕對零度的探索[J].製冷,1986(04):34-35+44.

Alan Bellows. Absolute Zero is 0K. damn interesting, 20 March 2014.

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