向“絕對零度”進軍

王祖遠

★低溫有盡頭嗎？★

地球上最低的溫度是多少？這個記錄是由冰天雪地的南極洲創(chuàng)造的。在那兒，人們曾測到了-88.3℃的低溫。

月球是名副其實的“廣寒宮”，它背向太陽的一面特別寒冷，那里的最低溫度達到了-183℃。

太陽系里離太陽最遠的冥王星，由于接受的陽光照射最少，成了一個“大冰球”，那里的溫度達到了-240℃以下！有人推測，在宇宙空間里，有些超冷區(qū)域的溫度可能會達到-270℃左右。

那么，溫度可能這樣一直降低下去，永遠沒有盡頭嗎？這個問題吸引了無數的科學家，努力尋找答案。

平時考試，我們都希望分數越高越好。然而在科學的領域里，人們卻在追求“越低越好”的溫度。下面就讓我們來看看這段奇妙的旅程吧！

★絕對零度的由來★

1792年，法國物理學家呂薩克發(fā)現(xiàn)：處于0℃時的氣體，溫度每降低1℃，它的體積將縮小1/273。照此推算，當溫度降低到-273℃時，這些氣體的體積就要變成“0”了！這怎么可能呢？

又過了半個世紀，英國物理學家威廉·湯姆森·開爾文勛爵發(fā)現(xiàn)，溫度每降低1℃，降低l/273的是物質分子的內部能量。于是，他將-273℃（精確值是-273.15℃）稱為“絕對零度”。根據推算，在這個溫度下，所有物質的分子都會停止運動。所以他認為，在現(xiàn)實世界里，這個溫度是永遠也不可能達到的。

低溫下的肥皂泡變成了奇妙的冰雪世界。

★初戰(zhàn)告捷★

可是，這個“絕對零度”真的存在嗎？為了驗證開爾文的結論，科學家們開始了向“絕對零度”的進軍。

19世紀20年代，著名的大科學家法拉第首先發(fā)現(xiàn)，在非常低的溫度下，如果給氣體施加足夠大的壓力，就會使它們變成液體。而這些液化氣體又可以作為極好的冷卻劑。因為在減壓條件下，它們又會蒸發(fā)并變回氣體，這時就會吸收周圍空氣里的熱量，使溫度降得更低。

經過十幾年的努力，人們獲得了-110℃的低溫。在這個溫度下，當時已知的大部分氣體都會冷卻，變成液體或固體。

★“永久氣體”之謎★

然而，還有少數氣體仍然不為所動，如氫氣、氧氣、氮氣、一氧化碳、氦氣等等。無論采用什么樣的技術，施加多大的壓力，它們還是依然故我，不肯就范?？茖W家們把這些頑固的家伙叫作“永久氣體”，也就是永遠不能被液化的氣體。

為什么這些“永久氣體”這么頑固呢？1869年，愛爾蘭物理學家安德魯斯發(fā)現(xiàn)，每一種氣體都有一個臨界溫度。只要高于這個溫度，無論施加多大壓力，氣體也不會液化。

所謂的“永久氣體”并不是永遠不能液化。只是因為它們的分子之間的吸引力很小，所以它們的臨界溫度比別的氣體要低很多。要想“征服”它們，就必須獲得更低的溫度。

★繼續(xù)前進★

于是，科學家們繼續(xù)努力。德國科學家林德經過無數次實驗，找到了兩種取得低溫的方法。他先把氣體裝入容器，施加高壓，讓這些氣體的體積縮小，分子運動加快，溫度上升。接著，再通過冷卻劑的蒸發(fā)，帶走熱量，把受壓氣體冷卻到原來的溫度。最后徹底隔斷容器內熱量的出入。里面的受壓氣體無法吸取到外界的熱量，只好消耗自身的內能，這樣就可以得到很低的溫度。

等氣體液化之后，再繼續(xù)把它密封在一個隔絕熱量的容器里，讓它進一步蒸發(fā)，同時不斷抽走蒸發(fā)出來的蒸汽，不讓它吸取熱量，逐漸把溫度降得更低。

通過反復使用這兩種方法，人們陸續(xù)得到了液化的氧氣、—氧化碳和氮氣。特別是當制作液氮時，創(chuàng)造了-225℃的低溫紀錄。

1898年，蘇格蘭化學家杜瓦在-253℃的低溫下液化了氫氣。一年以后，他又得到了固態(tài)的氫，達到了更低的低溫：-261～-263℃。為了在低溫下保存這些液氫，他還發(fā)明了保溫瓶！

★翁內斯的最終勝利★

氫氣的液化是一個重大的“戰(zhàn)果”。科學家們再接再厲，向最后一塊難啃的硬骨頭——氦氣發(fā)起了挑戰(zhàn)。它比氫氣還難以液化。

荷蘭物理學家翁內斯用了半生的時間，猛攻氦氣這座“堡壘”。他先制成了大量的液氫，再用液氫作冷卻劑，把加壓的氦氣冷卻到-255℃，之后慢慢地一點點抽取它的蒸汽。經過漫長而反復的實驗，氦氣終于乖乖地變成了液體！

這是地球上最后被液化的一種氣體，時間是1908年。

由于很難制取，在很長一段時間內，液氦都是實驗室里的“珍品”?，F(xiàn)在隨著科學的進步，一臺大型氦液化機在一小時內就能生產出800公斤以上的液氦。

翁內斯不僅戰(zhàn)勝了最頑固的氦氣，還領略了物質在超低溫下出現(xiàn)的各種奇妙現(xiàn)象，比如超導現(xiàn)象和超流現(xiàn)象。這不僅讓人們越來越好奇：如果達到了真正的“絕對零度”，我們又會看到什么奇特的景觀呢？

★冷些，再冷些★

雖然成功地獲得了液氦，但要想再得到更低的溫度，卻變得極為困難了。經過將近20年的時間，才有一位叫德拜的荷蘭物理學家，又取得了新的突破——用磁來降溫！

他把一塊含鋁的材料放到液氦上，加一個強磁場，使鋁材料的分子活動起來，開始按磁場的方向“站隊”，這樣就釋放出了一部分熱量，并很快被液氦吸走。然后再突然去掉磁場，鋁材料的分子就又“自由活動”，恢復到無規(guī)則狀態(tài)，這又消耗了一些熱量，液氦的溫度也隨之進一步下降。通過不斷重復這個步驟，終于在1957年，美國物理學家創(chuàng)造了新的低溫紀錄，距離-273.15℃僅有0.00002度的距離了！

后來，人們又發(fā)明了利用氦的同位素制冷的新技術。氦3、氦4是氦的兩種同位素，它們通常混合在一起。當溫度降低到接近“絕對零度”時，它們會分成兩層：氦3在上層，氦4在下層。隨著溫度進一步降低，上層里的氦4越來越少，最后徹底消失，但是下層卻始終存在著一定量的氦3。

這時，人們如果從下層抽去活潑的氦3蒸汽，上層的氦3就會自動向下補充。如果連續(xù)反復進行這個過程，使氦3不斷地從上層移向下層，液氦的溫度就能不斷地降低。

通過使用這些新的降溫技術，現(xiàn)在人們已經獲得了-273.150000001℃的低溫。

★永遠不能到達★

現(xiàn)在，我們距離“絕對零度”還只差千萬分之一度了！再跨一步，不就能到達目標了嗎？

然而，我國古代有句諺語：“一尺之捶，日取其半，萬世不竭。”意思是說，一根一尺長的木棍，每天截去一半，過了一萬年也截不完。人們向“絕對零度”進軍的旅程也是這樣。不管物體的溫度已經多低，要使它在現(xiàn)有的基礎上再降低一點，都是困難重重。

因此，雖然現(xiàn)在離“絕對零度”只差千萬分之一度了，但是要跨過這小小的一步，仍然無限遙遠！也許真如湯姆生所料，人們可以無限接近“絕對零度”，卻永遠也不能到達！

不過，在向“絕對零度”進軍的旅程中，人類也收獲了一系列豐碩的成果。日新月異的制冷技術，各種超低溫下的奇異現(xiàn)象，都給未來的科技進步提供了基礎。相信在不久的將來，“絕對零度”這座高峰一定會被人類征服！