一个有趣的科普知识

问：绝对零度为零下273.15摄氏度，这个值是如何得出来的?既然还没有实现这个绝对零度，为什么说一定是这个值最低呢?答：冷热的本质是什么?高中物理告诉我们,热的本质是物质内部的分子(原子)运动速度的快慢.我们知道,物质都是由分子或原子组成的,原子又可细分为更小的粒子.物质中的原子朝各方向作无规则的运动,我们说一个物体热,就是指它所包含的原子们的运动速度很快.冷就是说运动得慢了.物体内部的原子们可以设想为台球桌上无规则到处跑的台球.假如没有摩擦力,我们看到左边的台球桌上台球们跑得飞快,而右边一张台球桌上的球跑得很慢,此时把两张桌子拼在一起并去掉中间的桌沿,两张桌的台球就混到了一起,而左边速度快的球撞到右边速度慢的球,势必使得右边的球也快起来,而左边的则慢了一些.所以过了一会以后这张拼起来的桌子上的球们,速度比开始左桌的球慢,但比右桌的球快.将一杯热水和一杯冷水倒在一个大杯子里,此时发生的情形就和上面拼台球桌的情形一样！热水里的水分子高速撞击了冷水里的水分子,使得热水分子的速度慢了(也就是冷了些),而冷水分子的速度则快了(热了些),最后成为一杯温水.当我们知道了冷热的本质之后,就很好想象科学家对绝对零度的定义了.什么是绝对零度?那就是物体中的原子运动速度越来越慢,一直慢到不动！此时这个温度称为绝对零度.这个定义非常明显,一看就懂.所以通过不停降温的方法,自然可以观察到原子运动的趋势是越来越慢,趋向停止,而当然可以由此知道停止时的温度应该是什么度.那也就是-273.15度,并且知道全宇宙不能有比这更低的温度.否则你说说宇宙里哪儿的原子要比不动更慢?第2个问题：为什么科学家不能在实验室里达到绝对零度?这是个有点哲学含义,又有点量子物理观点的问题.根据定义,绝对零度=原子完全静止.而这样一来你就无法观测得到它,无法测量它的温度.因为你不管用任何方法去测量,都必然会干涉到该原子,而外来的干涉就象外来的一颗台球一样把本来几乎死寂的原子撞动,也因而它就不能达到绝对零度.所以绝对零度的东西是不可能被观测到的,而根据现代物理的观点,(也暗合马克思哲学的观点：即任何事物都是可被认识的,相反不可被认识的事物则不存在),不可能被观测到的东西是无意义的,因而是不存在的.聪明的人也许会产生疑问,不能被观测到的东西怎么就不存在?它不可以不为人知地安静地呆在某个地方么?而如我前面所说,现代物理学和哲学家认为不能被观测到的东西是无意义的.就比如量子物理,量子物理的根

源之一是测不准原理,意思是说一个微小的粒子,如果我们要把它的位置测量得很精确,那么它的速度就越粗糙；相反我们要把它的速度测量精确,那么它的位置就很模糊.这是因为任何测量必然会干扰该粒子的运动状态.那么我们能不能假设在无人观察的情况下该粒子是以精确的速度和位置来运动的呢?物理学家们说,不能.我们只能认为它们是模糊的,因为精确的情况我们观察不到,所以是无意义的,不讨论的.综合结论如下：绝对零度的物质不存在于宇宙间.第3个问题：具体怎么知道绝对零度的精确值?由于不能直接达到绝对零度,而只能无限逼近,所以有人会对绝对零度的值有疑问.这个问题我也没看过书,我把我的设想说一下1.求极值的方法.如果能先得出一个表示物质温度下降和原子运动速度关系的方程,那么用微积分求极值的方法可以解出那个无限逼近但是达不到的值是几.2.最小能量单位法.在这里我解释一下什么是最小能量单位.那就是普郎克发现的量子.量子就是能量的最小单位,是组成能量的基础砖块.没有比这更小的能量单位.古人说,\"一尺之棰,日取其半而万世不竭\".意思说一尺长的东西,每天把它分成两半,下一天再把其中一截再分成两半,这样做永远也不能把这东西分完.永远能再分成更短的两半.这是朴素的无穷小思想.量子物理的一大发现就是,能量有最小的单位,不能比这再小了,不能再分了.这是一个非常重要的发现.我们知道原子是由原子核和外面绕着它转的电子组成的,而电子有若干条轨道.电子可以从一条轨道转移到另一条轨道,但却不能逐渐转移.只能是突然从这里消失,而从那里出现,而不是平滑地经过这两条轨道之间的空间！一切迹象表明,能量,空间,时间都有最小单位.物质有没有最小单位,目前还没有定论,目前发现最小的单位是夸克,共六种.回到主题,由于我们知道,热的本质是运动和动量,动量是能量.那么动量当然也有最小单位.我们如果达到了假如-273.1499度,并且根据能量随温度减少的速度,除以量子单位,那么就可以知道再减少具体多少个量子单位,这个原子就没有任何能量了.那时它就绝对零度了.由此推之绝对零度数值.在液态空气的温度下，氦和氖仍然是气体；在液态氢的温度下，氖变成了固体，可是氦仍然是气体。要冷到什么程度，氦才会变成液体呢?英国物理学家杜瓦在1898年首先得到了液态氢。就在同一年，荷兰的物理学家卡美林·奥涅斯也得到了液态氢。液态氢的沸点是零下253摄氏度，在这样低的温度下，其他各种气体不仅变成液体，而且都变成了固体。只有氦是最后一个不肯变成液体的气体。卡美林·奥涅斯决心把氦气也变成液体。1908年7月，卡美林·奥涅斯成功了，氦气变成了液体。他第一次得到了320立方厘米的液态氦。要得到液态氢，必须先把氢气压缩并且冷却到液态空气的温度，然后让它膨胀，使温度进

一步下降，氢气就变成了液体。要得到液态氦，必须先把氦气压缩并且冷却到液态氢的温度，然后让它膨胀，使温度进一步下降，氦气才能变成液体。液态氦是透明的容易流动的液体，就像打开了瓶塞的汽水一样，不断飞溅着小气泡。液态氦是一种与众不同的液体，它在零下269摄氏度就沸腾了。在这样低的温度下，氢也变成了固体，千万不要使液态氦和空气接触，因为空气会立刻在液态氦的表面上冻结成一层坚硬的盖子。多少年来，全世界只有荷兰卡美林·奥涅斯的实验室能制造液态氦。直到1934年，在英国卢瑟福那里学习的前苏联科学家卡比查发明了新型的液氦机，每小时可以制造4升液态氦。以后，液态氦才在各国的实验室中得到广泛的研究和应用。在今天，液态氦在现代技术上得到了重要的应用。例如要接收宇宙飞船发来的传真照片或接收卫星转播的电视信号，就必须用液态氦。接收天线末端的参量放大器要保持在液氦的低温下，否则就不能收到图像。然而，液态氦的奇妙之处还不在于低温。卡美林·奥涅斯是第一个得到液氦的科学家。他并不满足，还想使温度进一步降低，以得到固态氦。他没有成功(固态氦是1926年基索姆用降低温度和增大压力的方法首先得到的)，却得到了一个没有预料到的结果。对于一般液体来说，随着温度降低，密度会逐渐增加。卡美林·奥涅斯使液态氦的温度下降，果然，液氦的密度增大了。但是，当温度下降到零下271摄氏度的时候，怪事出现了，液态氦突然停止起泡，变成像水晶一样的透明，一动也不动，好像一潭死水，而密度突然又减小了。这是另一种液态氦。卡美林·奥涅斯把前一种冒泡的液态氦叫做氦Ⅰ，而把后一种静止的液态氦做氦Ⅱ。把一个小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯本是空的，但是过了一会，杯底出现了液态氦，慢慢地涨到跟杯子外面的液态氦一样平为止。把这个盛着液态氦的小玻璃杯提出来，挂在半空。看，玻璃杯底下出现了液氦，一滴，两滴，三滴…不一会，杯中的液态氦就\"漏\"光了。是玻璃杯漏了吗?不，玻璃杯一点也不漏。这是怎么回事呢?原来氦Ⅱ是能够倒流的，它会沿着玻璃杯的壁爬进去又爬出来。这是在我们日常生活中没有碰到过的现象，只有在低温世界才会发生。这种现象叫做\"超流动性\"，具有\"超流动性\"的氦Ⅱ叫做超流体。后来，许多科学家研究了这种怪现象，又有了许多新的发现。其中最有趣的是1938年阿兰等人发现的氦刀喷泉。在一根玻璃管里，装着很细的金刚砂，上端接出来一根细的喷嘴。将这玻璃管浸到氦Ⅱ中，用光照玻璃管粗的下部，细喷嘴就会喷出氦Ⅱ的喷泉，光越强喷得越高，可以高达数厘米。氦Ⅱ喷泉也是超流体的特殊性质。在这个实验中，光能直接变成了机械能。大家还记得拉姆赛把各种物质放到液态空气中的各种奇妙的实验吧！各种

物质放在液态氦里，情况就更奇妙了。看！在液氦的温度下，一个铅环，环上有一个铅球。铅球好像失去了重量，会飘浮在环上，与环保持一定距离。再看！在液氦的温度下，一个金属盘子，把细链子系着磁铁，慢慢放到盘子里去。当磁铁快要碰到盘子的时候，链子松了，磁铁浮在盘子上，怎样也不肯落下去。真像是到了魔术世界！这一切，只能在液态氦的温度下发生。温度一升高，魔术就不灵了，铅球落在铅环上，磁铁也落在金属盘子里了。这是低温下的超导现象。原来，有些金属，在液态氦的温度下，电阻会消失；在金属环和金属盘中，电流会不停地流动而产生磁场。这时候，磁场的斥力托住了铅球和磁铁，使它们浮在半空中。在低温下，出现了许多奇妙的物理现象。许多重要的物理实验，都要在低温下进行。目前，世界各国的物理学家还在研究液态氦，希望通过液态氦达到更低的温度，研究各种物质在低温下会发生什么奇妙的变化，会有什么我们目前还不知道的性质。这就产生了物理学的一个新的分支--低温物理学。氦，这个奇妙的物质，一直在引起科学家们的注意。科学家们继续研究氦，通过科学实验，不断地为氦写下一页又一页新的历史。物理学家不仅仅得到了液态氦，还得到了固态氦，他们正在向绝对零度进军(物理学把零下273.16摄氏度叫做绝对零度。这个温度标叫做绝对温标，用K表示。OK就是-273.16℃，而273.16 K就是0℃)。从理论上讲，绝对零度是达不到的，但是可以不断接近它。液态氢的沸点是绝对温标20.2度，液态氦的沸点是绝对温标4.2度。在绝对温标2.19度的时候，氦Ⅰ变为氦Ⅱ。1935年，利用\"绝热去磁\"法，使液态氦冷到绝对温标0.0034度；1957年，达到绝对温标0.00002度；目前已达到跟绝对零度只相差0.000001度了。天文学家也继续研究着太阳元素。太阳上的氢\"燃烧\"变成了氦，以后的命运又如何呢?他们发现宇宙间有一些比太阳更炽热的恒星，中心温度达到几亿度。在这些恒星的核心，氢原子核已经都变成了氦原子核，氦原子核又相互碰撞，正在生成着碳原子核和氧原子核，同时放出大量的能。这类恒星橡心脏一样，一会儿膨胀，一会儿收缩，很有规律。为什么会这样?这也是因为氦在起作用。天文学家还研究了银河系内氢的含量和氦的含量的比值。根据这个比值，有人估算了银河系的年龄有一二百亿年