◇◇新语丝(www.xys.org)(xys.dxiong.com)(xys.dropin.org)(xys-reader.org)◇◇
关于绝对零度的讨论
作者：公民顺民
闲事大家管在其文《“摄氏零下300度”？》提到，“物理学家们在实验中设法
使温度达到了零下272.59摄氏度，这是目前所知宇宙中的最低温度。”，已由
ftir进行了更正。ftir提到，目前已经可以达到100pK，也就是10的负10次方K的
低温（p代表10的负12次方），即零下273.1599999999摄氏度－－如果绝对零度
是零下273.1600000000摄氏度的话，并提到了达到低温的新方法“用激光冷却原
子束”。
我在这里介绍著名科普作家阿西莫夫《最新科学指南-元素》中的一篇文章。该
文章并没有否定ftir的观点，因为阿西莫夫记述的是历史，而ftir讲述的是现代，
由于科学的进步，现在的成就远远超过了文中的水平。但该文章记述比较完整，
提到为何只能无限趋近绝对零度，而不能达到它，值得推荐。
以下是阿西莫夫的文章：
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。
No comments:
Post a Comment