温度的极限

@科普 2019/09/08 #物理学#华氏温标#摄氏温标#开氏温标#绝对零度#核聚变#托卡马克

正如气体分子会向四面八方扩散,液体分子会黏在一起流淌,固体分子会在各自位置上振荡,所有的分子都在运动,运动得越快,动能就越大,产生的热量越高。衡量这种冷热程度的单位称为“温度”,由于即便在少量物质中分子运动速度也不尽相同,所以通常以其平均动能来定义。

谈温度离不开三个人:荷兰裔德国物理学家丹尼尔·加布里尔·华伦海特,瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯,以及苏格兰物理学家威廉·汤姆森,他们分别是当今世界被广泛应用的华氏温标摄氏温标绝对温标的创立者。

1714年,华伦海特率先使用液体水银研制出精度很高的温度计,解决了以往液体温度计容易结冰、容易沸腾、容易黏附器皿、膨胀率不均匀等问题。同时,他采用两种非常重要的温度作为标记刻度的依据:将盐水的凝固点定为0°F,人体体温定为96°F。使用盐水的目的是尽量避免出现负温度,这可以理解,而将体温定在96度而不是100度却实在令人抓狂,总之,这样划分的结果是纯水的凝固点在32°F左右,沸点接近212°F。在进一步了解水的物理和化学特性后,华伦海特发现纯水的凝固点和沸点还是颇具参考价值,因此又调整了温标,将凝固点正好定为32°F,沸点为212°F,中间的间隔分成180等份,如此一来,体温就被调整为98.6°F。

1970年代以前,以英国为代表的全球多数国家都使用华氏温标。时至今日,除了美国人仍在日常生活中普遍使用华氏温标外,其他国家几乎已经全部向另一套标准——摄氏温标转换。

1742年,摄尔修斯将标准大气压下纯水的沸点规定为0℃,冰点定为100°C,中间划分为100等份,每等份为1℃,推出了影响深远的摄氏温标,成为强迫症患者的福音。但是,你没看错,摄尔修斯规定的0℃是沸点,100°C是冰点,原因是他们瑞典气温长年低于冰点,这样标记也是为了避免产生负数,温标创造者们对正数实在有太多执念。1744年,瑞典科学家、瑞典科学院创始人之一卡尔·林奈将摄氏温标的起止刻度颠倒过来,改为现行的摄氏温标:冰点定为0°C,沸点定为100°C。

我们知道,除了少数特例以外(比如水),物体都是受热膨胀,遇冷收缩,但固体和液体的体积变化微乎其微,只有气体会发生明显的膨缩,且膨缩率相同。于是有趣的问题出现了:气体冷却时以恒定比率收缩会不会越缩越小,最终缩到物质消失?18世纪末,法国化学家约瑟夫·路易斯·盖伊·勒萨克也在思考和验证这个问题。他取出一定体积的气体以0℃为起始温度将其慢慢冷却,发现气体温度每下降1°C,体积减少1/273。例如,他用273加仑的氧气从0℃开始实验,温度降为-1℃时,体积减为272加仑;-10℃时,体积变为263加仑;-50℃时,变成223加仑,依此类推。如果气温继续降低到-273℃呢,体积会减为零吗?

答案是当然不会。气体在冷却到一定程度后变成液体,收缩率急剧下降;温度更低时又变成固体,收缩率进一步降低,因而体积永远不可能减为零。那么问题又来了,物体的冷却到底有没有极限?

-273℃ 是一个令人兴奋的点,科学界的理论和实践都开始向它逼近。理论上,温度降低1℃,气体体积减少1/273,分子动能也失去1/273;在-273℃时,分子不再运动,甚至组成分子的原子中的电子也不运动,总动能为零。反之,如果电子不运动,便会被原子吸引导致坍塌,所有物质都将在-273℃时坍塌,但物质绝不会凭空坍塌、消失,因此温度不可能达到-273℃。事实上,即便利用再先进的现代技术甚至未来技术,也只能接近、绝无可能达到-273℃(精确值为-273.15℃),这就是宇宙低温的极限。倘若有朝一日真的达到了,将出现和超越光速一样神奇不可知的现象,说不定物质真的会消失掉。

1848年,威廉·汤姆森提出温标中的零点不应该是水的凝固点,而应采用极限低温才有意义。他将这个最低温度称为“绝对零度”,由此产生的温标称为“绝对温标”,即绝对温标的0度=摄氏温标的-273.15度。由于汤姆森后来被授予第一代开尔文男爵,“绝对温标”也被称为“开氏温标”。

尽管我们无法达到绝对零度,但已经能够非常接近这个温度,仅仅高出十亿分之几度,在此温度下没有气体和液体,固体分子运动缓慢到几乎静止。世界上最难固化的物质是氦,不仅温度要足够低,而且压力要足够大。1K时,固态氦就会熔化;大约4K时,氦开始沸腾。14~63K左右时,氢、氧、氮陆续熔化;20~90K时,氢、氮、氧陆续沸腾。184K(-89℃),是地球上最低气温记录,于1983年在南极出现。234K(-38.72°C)时,汞不顾自己作为金属的脸面率先开始熔化。273K(0°C)时,冰溶化。2012年,世界气象组织将1922年利比亚存疑的58℃的最高气温记录改写为1913年美国死亡谷国家公园的56.7°C

银的熔点大约960°C,金和铜的熔点大约1000°C,铁的熔点约1500°C。钨是所有金属中熔点最高、所有元素中熔点第二高的,约为3400°C,唯有碳是熔界的王者,其同素异形体钻石的熔点为3550°C,石墨为3675°C。但在沸点方面,钨又以5657℃的高温反超钻石(4827℃)和石墨(4027℃),在所有物质中拔得头筹。不太严谨地说,常压下超过4000℃所有固体都将消失,超过6000℃则只剩气体。

我们脚下6000多公里的地心温度约为6000℃,主要物质为极高压下的固态铁和镍。体积和质量更大的星体将产生更大的内部压力和温度,例如木星的核心温度高达2万℃,由于分子键无法存在,其物质以单原子为主。恒星因体积和质量差别巨大,其表面温度也相对悬殊,例如发红光的小恒星约为3000℃,发黄光的太阳约为5500℃,发蓝白光的大恒星约为10万℃。激光的温度可达100万℃。

和恒星的核心温度相比,以上温度都不值一提。凭借核聚变反应,即使最小的恒星的核心温度也超过1000万℃,太阳中心的温度约为1500万℃,质量更大的恒星的中心温度还要更高。

人类已经实现不受控制的核聚变,如氢弹的爆炸;也可以触发可控核聚变,只是输入的能量大于输出、或发生时间极短。可控核聚变的终极目标是输入较小的能量,持续、平稳地输出更大的能量,目前主要方式有激光约束(惯性约束)核聚变、磁约束核聚变(托卡马克)。2000年,中国国家“九五”重大科学工程“全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)”获批,该项目又被称为“人造太阳”、“东方超环”。2007年,EAST产生了持续近3秒的200千安培的等离子放电。2016年1月28日,EAST实现电子温度超过5000万℃、持续时间达102秒的长脉冲等离子体放电,为目前世界之最。2016年11月2日,EAST获得超过60秒的稳态高约束模等离子体放电,成为世界首个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。2017年7月3日,EAST实现了101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行,创造了新的世界纪录。2018年11月12日,EAST首次实现加热功率超过10兆瓦,等离子体储能增加到300千焦,等离子体中心电子温度首次达到1亿℃。

温度还能再高吗?能。恒星氢燃料耗尽濒临死亡时,有可能通过吸积周围元素提高核心温度,重新点燃碳融合,并触发失控的核聚变,将恒星完全摧毁,期间核心温度可高达14亿℃。超大质量的恒星燃料耗尽后,失去热辐射压力支撑的外围物质受重力牵引急速向核心坠落造成引力坍缩,将创造“超新星爆炸”,估计其核心温度超过230亿℃。2012年,布鲁克海文国家实验室创下了一项吉尼斯世界纪录,他们在相对论重离子对撞机中创造了人为制造的最高温度——大约4万亿℃。

温度有上限吗?物理学家认为既然有下限,理应存在上限,但我们还是无法达到温度的下限,也无法证实温度的上限。或许诚如爱因斯坦所言:“科学的尽头是神学”,世间诸法都要回到原点,回到宇宙生命的初始,我们便有理由相信,一切问题的答案都写在创世大爆炸的那一刻,那里有时间的极限、质量的极限、密度的极限、速度的极限,当然,也有温度的极限。

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