永遠達不到的絕對零度

地球上的低溫記錄出現在南極,最低曾達到-88.3℃,比月球的溫度還要低一些,背太陽一面最低達-183℃,離太陽最遠的冥王星,估計溫度在-240℃以下。有人推測宇宙間超冷區的溫度,大體上是-273℃,到了這個溫度,物質分子平均內能將降低到零,熱運動完全停止。世界上所有氣體的壓強(體積一定時)或者體積(壓強一定時)都要化為烏有。這是物質系統能量達到最小的溫度,所以,-273℃(精確值是-273.16℃)便被稱為絕對零度。

究竟存不存在一個絕對零度?我們能不能達到這樣低的溫度?這件事引起了許多科技工作者的興趣,他們開始了向絕對零度進軍。

在19世紀20年代,法拉第首先發現：在相當低的溫度下,給某氣體施加足夠大的壓力,就會使它們變成液體,這些液體一旦製成,又成了一種極好的冷卻劑。因為當它們在減壓條件下蒸發而變成氣體的時候,會從周圍環境吸收熱量,使溫度降得更低。經過十幾年的努力,物理學家獲得了-110℃,使當時已知的很多氣體冷卻為液或固體。但就是在這樣的低溫下,有些氣體仍不能變成液體。如氫、氧、一氧化碳、一氧化氮、氦等,所以,人們把它們稱為「永久氣體」。

為什麼永久氣體不能被液化呢?科學家發現,任何一種氣體都有一個臨界溫度,高於這個溫度,無論施加多大壓力也不會被液化。這是因為氣體分子間既有排斥力,又有吸引力;氣體的種類不同,分子吸引力的大小也不同。永久氣體之所以不能被液化,就是因為分子間的吸引力很小,不易被液化,究其原因是臨界溫度很低。要想液化永久氣體,必須獲得更低的溫度。

一個世紀以前,德國科學家林德等人採用壓縮———絕熱膨脹法和抽除液面蒸氣法,獲得了氧氣和氮氣的液滴。他們的試驗是這樣進行的：往容器里裝進氣體,施加高壓,氣體體積縮小,分子運動加快,溫度上升,接著通過冷卻劑的蒸發吸熱,帶走熱量,把受壓氣體冷卻到原來的溫度。最後斷絕容器熱量的出入,讓受壓氣體通過狹窄的口子急劇膨脹,對外作功,由於得不到外界熱量供應只好消耗自身的內能,這樣就可以得到很低的溫度。如果把液化了的氣體密封到一個容器里,讓他蒸發,並在蒸發的過程中抽掉液面上的蒸氣,也就是奪走運動最快的分子,實行多級串聯,一級一級地逐次進行,就可以把溫度降得更低。林德等人把這兩種辦法結合起來使用,不但獲得了液化的氧氣、一氧化碳和氮氣,而且還創造了-225℃的低溫記錄。

1898年,蘇格蘭化學家杜瓦正根據壓縮———絕熱膨脹原理,在-253℃的低溫下液化了氫氣。一年後,又用抽除液面蒸氣法得到了固態氫,達到了更低的低溫-261℃和-263℃。

荷蘭物理學家翁內斯花費了半生的精力,終於在1908年,把最頑固的氦氣轉化成了液體。在液化氦氣的同時,還發現了一些物質在超低溫下的奇異性質,比如超導現象和超流現象,這些發現,鼓舞著科學家繼續向絕對零度進軍。

1925年,荷蘭物理學家德拜找到了一種獲得超低溫的新方法———絕熱去磁法。把一種順磁物質放到IK的液氦上邊,加一個強磁場,使順磁物質分子從雜亂無章到按磁場方向整齊排列,會放出一部分熱量,這熱量讓液氦帶走。接著在不讓熱量傳入的情況下突然把磁場去掉,順磁物質的分子從整齊的有序的排列恢復到無規則狀態,同時消耗自己的熱量,於是液氦的溫度進一步下降了。後來美國化學家吉奧克改進這種方法,反覆進行這個步驟,於1957年,創造了0.00002K的低溫新紀錄。

後來,德國物理學家倫敦又發明了氦3和氦4淡化致冷的新技術———稀釋致冷法。氦3和氦4是氦的兩種同位素,它們通常是混合在一起的,當溫度降低到開氏零點幾度時,它們會分成兩層：氦3主要在上層,其中溶解有氦4;氦4主要在下層,其中溶解有氦3。溫度進一步降低,上層里氦4越來越少,最後等於零,但是下層里的氦3卻始終保持著一定濃度。如同抽除液面蒸氣法一樣,人們從下層抽去活潑的氦3「蒸氣」,上層的氦3就會「蒸發」下來補充。結果使整個氦液的溫度下降。如果連續反覆進行這個過程,使氦3不斷從上層移向下層,液氦的溫度就能不斷降低。

由於使用了一系列的「降溫」新技術,現在人們已經獲得了0.0000001K的最低溫度,距離絕對溫度就剩下千萬分之一度了。只要再努一把力,不是就達到了嗎?

可是,德國物理學家斯脫卻為這種努力潑了一瓢冷水,他指出,用有限的手段使物體冷卻到絕對零度是不可能的。有人還說,這個溫度永遠也達不到。但科學家並沒有放慢向絕對零度進軍的步伐。

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