地球上的低温记录出现在南极,最低曾达到-88.3℃,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。
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