溫度究竟是什麼？

科學家開展了一系列研究，希望重新定義溫度，把溫度和能量聯繫起來。

已知宇宙範圍內最準確的溫度計，看起來卻壓根不像是一個溫度計。它是一個銅質容器，外形像個大哈密瓜，裡面充滿著高純氬氣，表面上還插滿了麥克風和微波天線。不過，位於英國國立物理研究所（National Physical Laboratory，NPL）里的這台設備，其目的並不僅僅是測量溫度。這台設備，以及其他一些類似裝置，或許能讓科學家徹底搞清楚，溫度究竟是什麼，並根據基本物理理論對溫度進行重新定義。

科學家正在進行上述研究，而研究的出發點，是溫度和能量能通過物理常數相聯繫。目前，國際標準溫度單位——開爾文，是來源於水的特性，但科學家希望它能和其他測量單位一樣，從宏觀世界的不穩定性中解放出來。領導這項研究的邁克爾?德波德斯塔（Michael de Podesta）說，目前，秒是由銫原子的振蕩定義的，米則同真空中的光速相關，但「開爾文沒有直接將溫度和能量聯繫起來，這有些令人抓狂」。

英國國立物理研究所的這台設備能夠測量波爾茲曼常數。通過該常數，可以將能量的改變同溫度的變化聯繫起來。德波德斯塔的研究組，以及他們的競爭對手們都希望，能將該常數的精度提升到一定程度，從而讓1開爾文的溫度同一定焦耳的能量相對應。

當物理學家將特定頻率的聲音導入這台設備的麥克風時，這種新型溫度計（從技術上來說是一部「聲學諧振腔」）就會像鍾一樣鳴響。通過這種聲學諧振，研究人員能夠確定充滿氣體的空腔中的聲速，進而得知氬氣分子的平均速度，即它們的動能。今年7月，德波德斯塔領導的研究組在《計量學》（Metrologia）期刊上發表論文，報告了迄今為止對波爾茲曼常數最精確的測量。

目前的溫度定義基於水的相變。其中一個關鍵臨界點是所謂的「三相點」——273.16開爾文。在此溫度下，水的固態（冰）、液態（水）和氣態（水蒸氣）能夠共存。1954年，國際上統一規定，1開爾文等於從絕對零度到水的三相點之間溫差的1/273.16。

在通常情況下，1954年制定的溫度定義沒有什麼問題，但在處理極高溫度的情況下（例如恆星上的溫度時），該定義就開始失效了。「發生這種情況，是因為定義溫度前，人們還不了解溫度不過是原子和分子無規則運動，」德波德斯塔解釋道，「現在，我們知道的更多，並且有機會來糾正這一點，我們就該著手去做。」

（原作者：Lee Billings；翻譯?王棟）

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