可望不可即的绝对零度

什么是绝对零度？

绝对零度，也就是-273.15℃。

绝对零度是理论上的最低温度，把-273.15℃定作热力学温标(绝对温标)的零度，叫做绝对零度（absolute zero）。 绝对零度的单位是开尔文（K±）。

温度只能无限趋近绝对零度，而不能达到它。在这温度下物体没有热能。

　　绝对零度 = 0开尔文 = -273.15摄氏度

　　1开尔文 = 绝对零度到水的三相点的温度的1/273.16 = -272.15摄氏度

　　水的三相点的温度 = 273.16开尔文 = 0.01摄氏度 （此时压强为610.5帕斯卡）

　　一个大气压（101325帕斯卡）时的水的冰点温度 = 273.15开尔文 = 0 摄氏度 

低温学

    由于受到绝对零度附近奇异现象的鼓舞，物理学家们想尽办法来接近绝对零度，并且扩展它们在今天称为低温学的有关知识。在特殊情况下，利用液态氮的挥发，可产生绝对温度0．5K的低温。（顺便说一下，在这种水平上的温度可以利用一些特殊的有关电的方法来测量——譬如利用热电偶所生电流的大小，利用某种非超导体金属所制成电线的电阻大小，利用磁性的改变，甚至可利用声音在氦中传递的速度。想要测量极低温比要得到它们还不容易。）事实上，低于0．5K的温度利用1925年荷兰物理学家德拜首先提出的方法已经测到。把顺磁物质（即能将磁力线集中起来的物质）几乎紧靠着液态氮，中间隔着氦气，然后把整个系统温度降到绝对温度大约1K。再把系统置于磁场中，顺磁物质的分子会平行排列，并放出热量。这一热量可由周围缓慢蒸发的氢气移去。这时若把磁场移走，顺磁性分子会马上呈现混乱取向。由有序到混乱取向过程中，分子必须吸收热量，而这惟一的热源就是液态氦。因此，液态氦的温度下降。

    可以一次又一次地重复该过程，每次都降低液氦温度——此技术是由美国化学家吉奥克完成的。结果他得到了1949年诺贝尔化学奖， 1957年以这种方法达到了绝对温度0．00002K。

    1962年，德国血统的英国物理学家伦敦和他的合作者提出使用一种新装置达到更低温度的可能性。氦以两种类型存在：氦－4及氦－3，平常它们完全混合在一起。但是当温度低于绝对温度0．8K时，就会分开，氦－3在上层，部分的氦－3与氦－4在底层。以类似一般冷冻剂例如氟里昂的液体和蒸气互相变换的方式，能逐步降低温度。利用该原理制成的冷冻装置，于1965年在苏联首先被设计出来。

    1950年，苏联物理学家波马伦库克提出了利用氦－3其他的性质深冷的方法；早在1934年，匈牙利血统的英国物理学家库提也提出过利用类似吉奥克所利用的磁性，但这种磁性与原子核——原子的量内层结构——有关，而不是与整个原子和分子有关。

    应用了这些新技术的结果，温度低到绝对温度0．000001K。既然物理学家们发现他们已经达到绝对温度0．000001K，难道就不能摆脱剩下的一点滴而最后达到目标本身吗？

    不能，正如能斯脱在他关于这一问题而获得诺贝尔奖的论文中所证明的那样（有时也称为热力学第三定律），绝对零度是不可能达到的。无论我们如何降低温度，也只能将部分的熵移去。在一般情况下，无论熵的总量如何，若欲移去一个体系中一半的熵，其困难程度相同。从绝对温度300K（大约为室温）降至150K（比南极所能达到的温度还低），与从绝对温度20K降至10K，其难度是一样的。从绝对温度10K降至绝对温度5K或5K降至2．5K等等亦然。现在已达到高于绝对零度百万分之一的低温，但若想从百万分之一度降至其一半的温度，就像从绝对温度300K降至150K一样困难。如果达到了，要从其百万分之一的一半温度再降到百万分之一的四分之一，仍然同样地困难。这样继续下去无论怎样似乎接近，但绝对温度还是处在无穷远的距离。

    用该方式探求绝对零度的最后阶段，导致对极稀有物质氦－3的仔细研究。氦本身在地球上并不常见；而且当它被分离出来时，每 1000万个原子中只有 13个是氦－3。其余全是氦－4。

    氦－3比氦－4原子稍微简单，且只有最常见变体质量的3／4。氦－3的液化点在绝对温度3．2K，比氦－4整整低了1度。更有甚者，起初认为氦－4在低于绝对温度2．2K可变为超流体，而氦－3（虽然简单，但却是较少对称的分子）没有一点迹象。它是惟一需要继续试验的。在 1972年，发现低于绝对温度 0．0025K时，氦－3会变成超流体氦－Ⅱ。

绝对零度继续讨论

　　我们知道水的沸点随气压的变化而变化。平常我们说100度时水烧开，拉萨海拔高、气压低，水到80多度就开了，所以拉萨人多用高压锅。水的冰点也一样，只是冰点温度随压强变化不是那么显著。

　　科学家为了确定温度的标准需要一个零点，需要一个间隔，然后等分、延伸。摄氏温度就是把水的冰点定为0度，水的沸点定为100度，每百分之一就是1度，因为这个标准是摄尔修斯和他的同事制定的，就叫做摄氏温标。

　　就像刚才讲的冰点和沸点随气压变化，所以这并不是一个最好的标准。科学家们需要一个更精确的温度标准。科学家们发现存在一个最低的温度（至少理论上存在），非常显然地把这个温度确定为0度，于是另外要找一个不变化的温度点。

　　水放在空气中会蒸发，蒸发到一定程度房间里水蒸气的压强非常大的时候（也就是相对湿度达到100%的时候）就不蒸发了，平衡在水和水蒸气共存的状态。空气温度升高，水蒸气的压强允许更高一点，于是水又开始继续蒸发直到空气中，水蒸气的压强更高，达到新的平衡。当温度升到摄氏100度的时候水蒸气的压强达到1 个大气压，如果要达到101摄氏度，平衡时水蒸气的压强需要超过1个大气压。所以在没有东西压住水的情况下，对水继续加热，水就不停地变成水蒸气，然后逃掉。这时候就看到水不停的产生水蒸气，但是水的温度不上升，于是水就开了。要让水在101度平衡，只有水烧干，全部变水蒸气，或者用高压锅压住水蒸气和水。结冰也是这样，我们就看见水不停的产生冰，但是温度还是零度。但是结冰的温度还是随压强在变，更高的压强结冰的温度会更低。同样冰和水蒸气也有这样的关系。在水和水蒸气共存时一定的温度需要一定的压强才能平衡，同样水和冰、冰和水蒸气共存时都是一定的温度需要一定的压强才能平衡。只有在冰、水、水蒸气都存在的时候，温度和压强才都是确定的，分别是0.01摄氏度和610.5帕斯卡。这个点就是水的固体、液体、气体三个相的共存点，也叫水的三相点。

　　于是新的温度标准的另一个点就用水的三相点，为了同摄氏温标的间隔一致，水的三相点温度定为273.16度；为纪念英国科学家开尔文勋爵对绝对零度的贡献，大家把这个温度标准叫做开尔文温标。