开尔文勋爵如何发现绝对零度

版权所有 © 2014。保留所有权利。未经版权所有者书面许可，不得分发或挪用本作品。 打印自 https://www.damninteresting.com/absolute-zero-is-0k/

苏格兰腹地有一片名为达拉特沼泽的大片湿地。水从这片湿润的土地中渗出，汇合形成一条河流的源头，蜿蜒流经乡间近22英里，最终抵达格拉斯哥。19世纪末，这条河点缀着威廉·汤姆逊爵士实验室外的风景——汤姆逊是著名科学家，也是皇家学会主席。这条河一定给汤姆逊留下了深刻印象——1892年维多利亚女王授予他男爵爵位时，他选择以这条河的名字作为自己的封号。威廉·汤姆逊爵士从此被称为开尔文勋爵。

开尔文对科学的贡献极为广泛，但今天他最著名的或许是以他名字命名的温标。这个温标是为了纪念他发现了宇宙中可能的最低温度。汤姆逊在热力学定律的发展中发挥了重要作用，1848年他利用这些定律推算出，无论何种物质，任何物质所能达到的最低温度是-273.15°C（-459.67°F）。我们现在将这个界限称为零开尔文。

绝对零度被明确确定后，维多利亚时代的杰出科学家们开始了多项独立尝试，建造机器来探索这一物理 frontier。他们的设备简陋，环境险恶，但他们依然坚持前行，危险在所不惜。科学必须要做。

在这场19世纪的“寒潮”之前，大多数欧洲科学家认为寒冷本身是一种实际的物理物质——由一种空气中原始气体的原子组成。这解释了为什么水结冰时会膨胀——它吸收了大量这种冷粒子。物理学家罗伯特·波义耳在1665年消除了这一观念，他精心称量了水在户外冰冻夜晚放置前后的重量，证明只有体积发生了变化，质量没有变。这帮助自然学家开始朝正确方向推测，但1783年，著名法国化学家安托万·德·拉瓦锡通过推广他自己的理论——热是一种不可见的、无重量的、自排斥的蒸汽，称为“热质”，而寒冷只是这种热质的耗尽——使大部分进展付诸东流。这种“暗热”理论也是错误的，但它对观测的建模如此之好，以至于主导了将近一个世纪。

工业革命黎明时期，新奇的蒸汽机器开始将热转化为功，将科学转化为利润。破解热的真正本质将带来更高效的发电厂，因此最高的智力和财力资源汇聚于这一问题。当数个世纪的“常识”终于被搁置，让位于科学方法时，理论家和实验者逐渐确定，自然界中的所有分子都是不安分的、 agitated 的东西，随机摆动摇晃，像拥挤台球桌上的台球一样碰撞邻居。这些分子运动的净效应就是我们观察到的热，温度与这些运动的速度成正比。由此，开尔文勋爵推断，如果将物质中的热充分降低，就会达到一个分子完全静止的温度——一个可能的最低温度。他的计算正确指出-273.15°C为这一物理界限。

这一里程碑式的发现引发的疑问比它平息的还要多。是否有可能真正达到绝对零度？被强制进入如此静止状态的分子会发生什么？它们会解体吗？它们会转变成一种尚未观察到的物质相态吗？谁在那里？这是什么意思？

一位有能力解决这些问题的人是苏格兰科学家詹姆斯·杜瓦爵士，他是一位有成就的发明家，也是伦敦皇家研究院的教授。他与寒冷的渊源堪称起源故事——十岁时，詹姆斯·杜瓦在苏格兰一个结冰的池塘上嬉戏，脚下的冰裂开了。年幼的杜瓦被吞入黑暗冰冷的水中。同伴们设法将他拉了出来，他浑身湿透、瑟瑟发抖，但在虚弱的状态下，他因风湿热而卧床不起。当他恢复到能再次行走时，他需要拄拐杖，四肢和手指僵硬。一位善良的小提琴制作者收他为学徒，帮助他恢复手部的精细运动技能，当杜瓦后来选择科学之路时，这段精细工艺的经历使他能够自己制作实验室工具和仪器。

随着他在科学界的进阶，杜瓦逐渐崇拜已故的迈克尔·法拉第——皇家研究院一位才华横溢、声名显赫的前辈。19世纪初，法拉第发现，通过施加高压和冰浴，几乎可以让任何气体液化。法拉第的技术能够达到低至-130°C的温度，但尽管他 ingenuity 出众，他尝试的三种气体——氧气、氮气和氢气——始终拒绝相变为液体。经过多次失败后，法拉第初步得出结论，这三种必定是“永久气体”。

（原文较长，此处译出前 6000 字，完整内容请点「打开原文」。）