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绝对零度是多少度?人类探索低温进入新的物质世界

2022-03-26 18:50 分类:值得一看
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绝对温度零度(0K)相当于摄氏零下273.15度(-273.15℃)被称为“绝对零度”,是自然界中可能的最低温度。Hayke kamalin hones是荷兰物理学家。早在1908年的时候,他与他的同事在实验室里将氦冷凝成一种液体,首次实现了氦的液化,在研究中,hones他发现当温度降至4.2K以下,也就是-269摄氏度的时候,汞的电阻会突然的消失,当初,他认为这是汞的奇特现象,后来他发现。铅也有这种现象,他意识到,在低温下,有些物质的热运动会消失,电阻无线接近于0,他把这样的现象称作超导现象,那么处于超导状态的物体就是超导体。

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科学界很快认出了欧内斯特的伟大价值的工作。欧内斯特·1913年获得了诺贝尔物理学奖。事实上,这是第一个与绝对零度有关的诺贝尔物理学奖,因为埃尼斯是在他达到绝对零度的过程中获得的,而当他达到4.2开尔文时,超导只是一个奇怪的物理世界。今年是该奖项设立100周年。我们回顾历史,跟随人类探索低温世界的步伐,进入一个新的物质世界!

温度的本质

温度无处不在,与人类的日常生活息息相关。然而,温度的概念在过去很长一段时间内一直不明确。像伽利略和牛顿这样的自然哲学家认为热是一种“流动”,而其他人则认为“冷”是由“冷却原子”引起的。同时,温度的测量也很混乱。最早和最可靠的温度计是根据液体的热膨胀原理设计的。人们限制玻璃球或玻璃管中的液体,将两个不动点(如沸点和冰点)固定,然后在它们之间放置一个刻度,以指示液体表面的位置。这样,所谓的“温度”显示在这两点之间,当时称为“热”。18世纪上半叶,德国人丹尼尔·加布里埃尔·沃伦海特(Daniel Gabriel warrenheit)和瑞典人安德斯·施尔修斯(Anders schylseuss)分别建立了华氏温度和摄氏温度。这两种表示温度的方法一直使用到现在。

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然而,使用液体来测量温度取决于物质的物理性质,这只是对所谓的“冷”和“热”的相对描述。19世纪中叶,英国物理学家威廉·汤姆森(William Thomson)试图在不依赖任何单一材料性质的情况下定义温度,因此他于1848年建立了热力学温度标度。这种温标已成为现代科学的标准温标,称为绝对温标。1892年,英国政府将汤姆森提升为开尔文勋爵,因此该标尺也称为开尔文标尺,以K为单位。

但是温度是多少?这个问题还没有解决。只有当人们明白物质是由原子组成的这一真理时,他们才能得到答案。现在我们知道所谓的热实际上是原子运动产生的动能;所谓的温度是原子速度的量度。换句话说呢,温度其实就是物体内部原子的运动。当我们感觉到物体的“热”时,它的原子移动得非常快;当我们感觉物体“冷”时,它的原子移动缓慢。有了这种理解,我们就不难理解“绝对零”是什么样的状态:它是物体内部非常安静的状态。在这种状态下,原子的运动完全停止。

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那么,下一个问题必须是:在“绝对零度”,也就是说,当物质完全静止时,原子的温度是多少?

永不可及的“绝对零度”

17世纪,法国人纪尧姆·阿蒙登发现,容器内密封的空气压力随着容器内空气的温度而降低。阿蒙顿观察到,当空气从沸点降至冰点时,容器内的压力下降了约4/1。阿蒙登推测,如果空气继续冷却,在某一时刻,压力会完全消失。在这一点上,应该没有办法降低温度,也就是说,它已经达到了“绝对零度”。根据阿蒙顿当时的计算,这个“绝对零度”大约是零下300度。现在看来,阿蒙顿的猜测并不是完全正确的。在今天,在绝对温标上定义的“绝对零度”就相当于-273.15°C。

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“绝对零度”的确立相当于在科学家面前设立一个“基准”。谁先接近它,谁就能赢得科学的称号。到19世纪末,“绝对零度”的竞赛正式开始。

然而,尽管通往“基准”的道路已在眼前,但很难完全实现“绝对零”。这是因为制造低温的方法类似于冰箱的操作。冰箱内壁与循环制冷剂等较冷物质接触后,热量被带到制冷剂,从而冷却冰箱内部。如果你想带走物体中的所有热量并使其达到“绝对零度”,你必须使用比“绝对零度”更低的物质。这种材料中的原子是否可能移动得如此缓慢,甚至比“静止”还要慢? “绝对零“意味着原子完全处于静止状态,气体的体积应该是零,但这不会发生。然而呢,“绝对零度”这种状态永远无法达到,只能无限接近它。

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在冰箱中,制冷剂在膨胀的同时冷却,随着压力的下降,制冷剂内部分子的运动速度变慢。在“绝对零度”比赛中,人们一开始就采用了这种方法。那时,一种又一种气体被压缩,然后迅速膨胀。这一过程不仅降低了温度,而且还将气体冷凝成液体。在19世纪70年代末,法国人路易斯·保罗·卡叶(Louis Paul Cayette)用这种方法获得了零下183°C的液氧和零下196°C的液氮。1898年,苏格兰人詹姆斯·杜瓦(James Dewar)获得了零下250°C的液氢。在那之后,就只剩下氦了。伊姆斯的原子连接松散,是最难以液化的气体,但埃尼斯做到了。这是在文章的开头描述的场景:他发现了超导现象。

但这并没有结束。接下来发生的事更让人吃惊。一般来说,氦原子核包含两个中子和两个质子,所以氦原子最常见的形式是氦-4。当温度降到3.2K时,会有一个更轻的原子出现。它是氦-3,比氦-4薄1000倍。氦-3只有一个中子。一旦液化,它“表现”完全不同于氦- 4。很难想象没有中子的液氦的物理性质会有什么不同。随着温度继续下降到2.17 k,气泡表面的液态氦突然消失,液体变得异常平静。这是怎么呢一些液氦已经进入了一种全新的状态:它是完全无粘性的,无摩擦的,它可以无限地流动,它可以很容易地通过微管,它可以通过连气体都无法畅通无阻地通过的间隙。这是超流体。在这种状态下,无论液体的哪一部分变热或出现气泡,它都会带走热量并阻止气泡的形成,这就是为什么液氦的表面变得如此平静。

低温世界里的奇遇

上述奇怪现象是什么意思?事实证明,我们生活在一个可以用量子力学来描述的世界里,这只有在低温的世界里才能清楚地感觉到。

量子现象的研究也是人们渴望达到绝对零度的一个重要原因。然而,保持接近绝对零度已经变得极其困难。即使稍有降温,也会遇到难以想象的困难。例如,一枚1平方厘米的铜币的温度为0.001K,一只蝴蝶从仅10厘米的高度落在硬币上,蝴蝶“撞击”硬币产生的热量足以使硬币的温度升高100倍。

这该怎么办?人们想到了使激光中的光子与气体中的原子发生碰撞的方法。碰撞会带走一些原子的动能,使它们减速。本质上,它仍然依靠其他物质来散热,但所用的“冷却剂”却大不相同。它变得更加微妙和神奇。

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这些进步很快就得到了回报,给了人们一个难得的机会来探索由量子力学控制的物质的行为。例如,在低温下,电子之间的相互作用产生的准粒子的质量可能是自由电子质量的数千倍。它们的“行为”与预测的粒子——马约拉纳费米ons非常相似,后者被认为在未来量子计算机的数据处理中发挥着重要作用。科学家们还可以利用一个受控的、纯量子的过冷物质环境来模拟中子星内部的极端情况、基本粒子的相互作用以及宇宙诞生后的最早演化过程。随着我们对低温世界的理解加深,这样的奇迹将继续发生,把我们带到一个新的、奇妙的物理世界。

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起初,宇宙的温度在大爆炸后的瞬间惊人地高,达到了数十万亿开尔文。太阳的表面温度是5800 K。当一颗恒星爆炸时,温度可以达到60亿K。超大质量恒星的爆炸和中子星的碰撞都非常热。人们从对伽马射线爆发的观察中知道,这些过程产生的温度可以高达1兆卡。然而,宇宙有着惊人的“两面性”。在其他地方,经过137亿年的冷却后,天气异常寒冷。现在呢科学家们知道宇宙微波背景辐射是2.7K,但2.7K并不是最冷的。博莫尔扬星云距离地球约5000光年,非常寒冷,温度只有1K。你可能会认为宇宙中没有更冷的地方,但除此之外,地球上还有更冷的地方,隐藏在人类低温实验室中,科学家们将那里的低温设定为仅比“绝对零度”高0.000000001 K,这个纪录正在被打破。

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