向“绝对零度”进军

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  ★低温有尽头吗?★
  地球上最低的温度是多少?这个记录是由冰天雪地的南极洲创造的。在那儿,人们曾测到了-88.3℃的低温。
  月球是名副其实的“广寒宫”,它背向太阳的一面特别寒冷,那里的最低温度达到了-183℃。
  太阳系里离太阳最远的冥王星,由于接受的阳光照射最少,成了一个“大冰球”,那里的温度达到了-240℃以下!有人推测,在宇宙空间里,有些超冷区域的温度可能会达到-270℃左右。
  那么,温度可能这样一直降低下去,永远没有尽头吗?这个问题吸引了无数的科学家,努力寻找答案。
  平时考试,我们都希望分数越高越好。然而在科学的领域里,人们却在追求“越低越好”的温度。下面就让我们来看看这段奇妙的旅程吧!
  ★绝对零度的由来★
  1792年,法国物理学家吕萨克发现:处于0℃时的气体,温度每降低1℃,它的体积将缩小1/273。照此推算,当温度降低到-273℃时,这些气体的体积就要变成“0”了!这怎么可能呢?
  又过了半个世纪,英国物理学家威廉·汤姆森·开尔文勋爵发现,温度每降低1℃,降低l/273的是物质分子的内部能量。于是,他将-273℃(精确值是-273.15℃)称为“绝对零度”。根据推算,在这个温度下,所有物质的分子都会停止运动。所以他认为,在现实世界里,这个温度是永远也不可能达到的。
  低温下的肥皂泡变成了奇妙的冰雪世界。
  ★初战告捷★
  可是,这个“绝对零度”真的存在吗?为了验证开尔文的结论,科学家们开始了向“绝对零度”的进军。
  19世纪20年代,著名的大科学家法拉第首先发现,在非常低的温度下,如果给气体施加足够大的压力,就会使它们变成液体。而这些液化气体又可以作为极好的冷却剂。因为在减压条件下,它们又会蒸发并变回气体,这时就会吸收周围空气里的热量,使温度降得更低。
  经过十几年的努力,人们获得了-110℃的低温。在这个温度下,当时已知的大部分气体都会冷却,变成液体或固体。
  ★“永久气体”之谜★
  然而,还有少数气体仍然不为所动,如氢气、氧气、氮气、一氧化碳、氦气等等。无论采用什么样的技术,施加多大的压力,它们还是依然故我,不肯就范。科学家们把这些顽固的家伙叫作“永久气体”,也就是永远不能被液化的气体。
  为什么这些“永久气体”这么顽固呢?1869年,爱尔兰物理学家安德鲁斯发现,每一种气体都有一个临界温度。只要高于这个温度,无论施加多大压力,气体也不会液化。
  所谓的“永久气体”并不是永远不能液化。只是因为它们的分子之间的吸引力很小,所以它们的临界温度比别的气体要低很多。要想“征服”它们,就必须获得更低的温度。
  ★继续前进★
  于是,科学家们继续努力。德国科学家林德经过无数次实验,找到了两种取得低温的方法。他先把气体装入容器,施加高压,让这些气体的体积缩小,分子运动加快,温度上升。接着,再通过冷却剂的蒸发,带走热量,把受压气体冷却到原来的温度。最后彻底隔断容器内热量的出入。里面的受压气体无法吸取到外界的热量,只好消耗自身的内能,这样就可以得到很低的温度。
  等气体液化之后,再继续把它密封在一个隔绝热量的容器里,让它进一步蒸发,同时不断抽走蒸发出来的蒸汽,不让它吸取热量,逐渐把温度降得更低。
  通过反复使用这两种方法,人们陆续得到了液化的氧气、—氧化碳和氮气。特别是当制作液氮时,创造了-225℃的低温纪录。
  1898年,苏格兰化学家杜瓦在-253℃的低温下液化了氢气。一年以后,他又得到了固态的氢,达到了更低的低温:-261~-263℃。为了在低温下保存这些液氢,他还发明了保温瓶!
  ★翁内斯的最终胜利★
  氢气的液化是一个重大的“战果”。科学家们再接再厉,向最后一块难啃的硬骨头——氦气发起了挑战。它比氢气还难以液化。
  荷兰物理学家翁内斯用了半生的时间,猛攻氦气这座“堡垒”。他先制成了大量的液氢,再用液氢作冷却剂,把加压的氦气冷却到-255℃,之后慢慢地一点点抽取它的蒸汽。经过漫长而反复的实验,氦气终于乖乖地变成了液体!
  这是地球上最后被液化的一种气体,时间是1908年。
  由于很难制取,在很长一段时间内,液氦都是实验室里的“珍品”。现在随着科学的进步,一台大型氦液化机在一小时内就能生产出800公斤以上的液氦。
  翁内斯不仅战胜了最顽固的氦气,还领略了物质在超低温下出现的各种奇妙现象,比如超导现象和超流现象。这不仅让人们越来越好奇:如果达到了真正的“绝对零度”,我们又会看到什么奇特的景观呢?
  ★冷些,再冷些★
  虽然成功地获得了液氦,但要想再得到更低的温度,却变得极为困难了。经过将近20年的时间,才有一位叫德拜的荷兰物理学家,又取得了新的突破——用磁来降温!
  他把一块含铝的材料放到液氦上,加一个强磁场,使铝材料的分子活动起来,开始按磁场的方向“站队”,这样就释放出了一部分热量,并很快被液氦吸走。然后再突然去掉磁场,铝材料的分子就又“自由活动”,恢复到无规则状态,这又消耗了一些热量,液氦的温度也随之进一步下降。通过不断重复这个步骤,终于在1957年,美国物理学家创造了新的低温纪录,距离-273.15℃仅有0.00002度的距离了!
  后来,人们又发明了利用氦的同位素制冷的新技术。氦3、氦4是氦的两种同位素,它们通常混合在一起。当温度降低到接近“绝对零度”时,它们会分成两层:氦3在上层,氦4在下层。随着温度进一步降低,上层里的氦4越来越少,最后彻底消失,但是下层却始终存在着一定量的氦3。
  这时,人们如果从下层抽去活泼的氦3蒸汽,上层的氦3就会自动向下补充。如果连续反复进行这个过程,使氦3不断地从上层移向下层,液氦的温度就能不断地降低。
  通过使用这些新的降温技术,现在人们已经获得了-273.150000001℃的低溫。
  ★永远不能到达★
  现在,我们距离“绝对零度”还只差千万分之一度了!再跨一步,不就能到达目标了吗?
  然而,我国古代有句谚语:“一尺之捶,日取其半,万世不竭。”意思是说,一根一尺长的木棍,每天截去一半,过了一万年也截不完。人们向“绝对零度”进军的旅程也是这样。不管物体的温度已经多低,要使它在现有的基础上再降低一点,都是困难重重。
  因此,虽然现在离“绝对零度”只差千万分之一度了,但是要跨过这小小的一步,仍然无限遥远!也许真如汤姆生所料,人们可以无限接近“绝对零度”,却永远也不能到达!
  不过,在向“绝对零度”进军的旅程中,人类也收获了一系列丰硕的成果。日新月异的制冷技术,各种超低温下的奇异现象,都给未来的科技进步提供了基础。相信在不久的将来,“绝对零度”这座高峰一定会被人类征服!
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