第2章 永远达不到的绝对零度

地球上的低温记录出现在南极，最低曾达到－883℃，比月球的温度还要低一些，背太阳一面最低达－183℃，离太阳最远的冥王星，估计温度在－240℃以下。有人推测宇宙间超冷区的温度，大体上是－273℃，到了这个温度，物质分子平均内能将降低到零，热运动完全停止。世界上所有气体的压强（体积一定时）或者体积（压强一定时）都要化为乌有。这是物质系统能量达到最小的温度，所以，－273℃（精确值是－273.16℃）便被称为绝对零度。

究竟存不存在一个绝对零度？我们能不能达到这样低的温度？这件事引起了许多科技工作者的兴趣，他们开始了向绝对零度进军。

在19世纪20年代，法拉第首先发现：在相当低的温度下，给某气体施加足够大的压力，就会使它们变成液体，这些液体一旦制成，又成了一种极好的冷却剂。因为当它们在减压条件下蒸发而变成气体的时候，会从周围环境吸收热量，使温度降得更低。经过十几年的努力，物理学家获得了－110℃，使当时已知的很多气体冷却为液或固体。但就是在这样的低温下，有些气体仍不能变成液体。如氢、氧、一氧化碳、一氧化氮、氦等，所以，人们把它们称为“永久气体”。

为什么永久气体不能被液化呢？科学家发现，任何一种气体都有一个临界温度，高于这个温度，无论施加多大压力也不会被液化。这是因为气体分子间既有排斥力，又有吸引力；气体的种类不同，分子吸引力的大小也不同。永久气体之所以不能被液化，就是因为分子间的吸引力很小，不易被液化，究其原因是临界温度很低。要想液化永久气体，必须获得更低的温度。

一个世纪以前，德国科学家林德等人采用压缩——绝热膨胀法和抽除液面蒸气法，获得了氧气和氮气的液滴。他们的试验是这样进行的：往容器里装进气体，施加高压，气体体积缩小，分子运动加快，温度上升，接着通过冷却剂的蒸发吸热，带走热量，把受压气体冷却到原来的温度。最后断绝容器热量的出入，让受压气体通过狭窄的口子急剧膨胀，对外作功，由于得不到外界热量供应只好消耗自身的内能，这样就可以得到很低的温度。如果把液化了的气体密封到一个容器里，让他蒸发，并在蒸发的过程中抽掉液面上的蒸气，也就是夺走运动最快的分子，实行多级串联，一级一级地逐次进行，就可以把温度降得更低。林德等人把这两种办法结合起来使用，不但获得了液化的氧气、一氧化碳和氮气，而且还创造了－225℃的低温记录。

1898年，苏格兰化学家杜瓦正根据压缩——绝热膨胀原理，在－253℃的低温下液化了氢气。一年后，又用抽除液面蒸气法得到了固态氢，达到了更低的低温－261℃和－263℃。

荷兰物理学家翁内斯花费了半生的精力，终于在1908年，把最顽固的氦气转化成了液体。在液化氦气的同时，还发现了一些物质在超低温下的奇异性质，比如超导现象和超流现象，这些发现，鼓舞着科学家继续向绝对零度进军。

1925年，荷兰物理学家德拜找到了一种获得超低温的新方法——绝热去磁法。把一种顺磁物质放到IK的液氦上边，加一个强磁场，使顺磁物质分子从杂乱无章到按磁场方向整齐排列，会放出一部分热量，这热量让液氦带走。接着在不让热量传入的情况下突然把磁场去掉，顺磁物质的分子从整齐的有序的排列恢复到无规则状态，同时消耗自己的热量，于是液氦的温度进一步下降了。后来美国化学家吉奥克改进这种方法，反复进行这个步骤，于1957年，创造了0.00002K的低温新纪录。

后来，德国物理学家伦敦又发明了氦³和氦⁴淡化致冷的新技术——稀释致冷法。氦³和氦⁴是氦的两种同位素，它们通常是混合在一起的，当温度降低到开氏零点几度时，它们会分成两层：氦³主要在上层，其中溶解有氦⁴；氦⁴主要在下层，其中溶解有氦³。温度进一步降低，上层里氦⁴越来越少，最后等于零，但是下层里的氦³却始终保持着一定浓度。如同抽除液面蒸气法一样，人们从下层抽去活泼的氦³“蒸气”，上层的氦³就会“蒸发”下来补充。结果使整个氦液的温度下降。如果连续反复进行这个过程，使氦³不断从上层移向下层，液氦的温度就能不断降低。

由于使用了一系列的“降温”新技术，现在人们已经获得了0.0000001K的最低温度，距离绝对温度就剩下千万分之一度了。只要再努一把力，不是就达到了吗？

可是，德国物理学家斯脱却为这种努力泼了一瓢冷水，他指出，用有限的手段使物体冷却到绝对零度是不可能的。有人还说，这个温度永远也达不到。但科学家并没有放慢向绝对零度进军的步伐。