绝对零度为啥是-273.15℃？还有零有整的？

疯了吧

很多人都听说过绝对零度，还知道绝对零度等于-273.15摄氏度。你有没有想过，为什么是“-273.15”？这个有零有整的数字是怎么得到的？


另外，绝对零度是仅存在于理论中的，那么人类到目前为止能够达到的最低温度是多少？如何能达到接近绝对零度的极低温度？


小编想来跟大家讨论讨论这几个“冷知识”。


绝对零度为啥是零下273.15℃？


要想搞明白绝对温度，我们首先需要明确什么是温度，以及怎样测量温度。


温度是描述冷热程度的基本物理量，也是微观粒子运动的宏观表现。同时，温度的计量主要利用不同温度下材料的性质变化，比如传统的温度计就是利用水银随体积随温度变化制成的。

水银温度计（图片来源：UCSF）

温度计量的基准体系称为温标，例如华氏温标、摄氏温标和开尔文（绝对）温标等。在没有温度计的古代，人们认识到人体温度基本恒定，也是一种朴素的温度标准，并用于养蚕、发酵、诊断疾病等生产生活中对较高精度温度的控制。


生活中使用范围比较广的摄氏温标，是以水的冰点和沸点作为两个基准点，中间等百分比划分，每一份为1℃。摄氏温标的发明人是安德斯·摄尔修斯（Anders Celsius），他最初定义冰点为100℃、沸点0℃，主要是为了冬季温度数值不出现负数。卡尔·冯·林奈（Carl von Linné）根据实际使用习惯，将冰点和沸点分别修正为0℃和100℃。这说明，实际上摄氏温标是具有主观性的，它并没有触及温度的本质。

安德斯·摄尔修斯，他最初制定的温标和我们今天使用的摄氏温标其实是相反的。（图片来源：Wikipedia）


理论上讲，找到一个最低温度，将其定义为0，这样一来，任何低温都不会是负数了——这个最低温度就是绝对零度。首次提出绝对零度概念的科学家是法国物理学家纪尧姆·阿蒙东（Guillaume Amontons）。

阿蒙东展示他在1690年的一项发明（图片来源：Hulton Archive）


阿蒙东通过空气温度计校准实验发现，“温度每降低一定值，空气压力也等比例降低”。由此推测，如果持续降低温度，空气压力将在某一有限温度下降至零。他估算的绝对零度为-240℃，此时气体压力将为零。


阿蒙东指出，“气体压力不可能为负值，因此必然存在一个最低温度，任何物质都无法冷却至该温度以下”。他开创了热学定量研究的先河，成为从自然哲学向近代热物理学过渡的关键节点。


从微观角度理解，在恒定压力下，气体的体积随着温度的降低而缩小，所以直观来看，当每个气体分子无限接近的时候，气体的体积就不可以压缩了，温度也就不可能降低了，这个温度就是绝对零度。通过在室温附近测量气体体积膨胀与温度的关系，将呈现出的线性关系进行外推，可以估算出绝对零度对应的摄氏度。

通过外推理想气体膨胀的线性关系得到绝对零度

科学家经过精确测量得出，温度为0℃时，常见气体（如氮气、氦气等，在室温下可视为接近理想气体）的体膨胀系数为1/273.15——这表示在压强不变时，温度每升高1℃，其体积相对变化量约为0℃时体积的1/273.15。



由此反推得出，绝对零度对应-273.15℃。之所以出现小数，主要是因为摄氏温标以水的冰点和沸点作为两个点，进行百分比划分的缘故。


在人类首次提出“温度存在下限”科学猜想的150年后，开尔文勋爵（即威廉·汤姆森，William Thomson）受卡诺循环理论的启发，构想了一个理想的热机循环，并论证了其效率只取决于两个热源的“温度”，而与工质的性质无关。由此，他提出了一种不依赖任何物质特性的绝对温标的概念，即热力学温标。



这种温标定义下的零点，就是工作物质在卡诺循环中向冷源释放全部热量时的温度，即绝对零度。

开尔文勋爵（图片来源：Wikipedia）

为纪念开尔文的卓越贡献，这种以绝对零度为起点的温标被命名为开尔文温标，其单位就是“开尔文”，符号为K。开尔文温标与摄氏温标的刻度间隔是相同的，即1K的温度差等于1℃的温度差，它们的换算关系为：T(K) = t(℃) + 273.15。从此，0 K（绝对零度）就成为了物理学中一切温度测量的真正原点。

摄氏温标（左）和开尔文温标（右）的数值换算关系

“宇宙中最冷的地方”……之一


虽然绝对零度在理论上是无法达到的，但人类从未放弃对极限的追求。在历史上，工业对大量廉价氧的需要推动了零下200℃左右低温技术的发展，进而引发了向接近绝对零度不断挑战的研究。


2021年3月，德国科学家利用磁化约束铷原子气体云从122米高的不来梅大学落塔上落下（创造微重力环境），达到38pK (38×10-12K)的极寒温度，误差为-7或+6pK，整个过程持续2秒。这低于此前在实验室中创造过的所有低温条件，因此该团队将其称为 “宇宙中最冷的地方之一”。


作为对比，宇宙背景平均温度为2.725 K（-270.425 ℃）。目前人类观测到的宇宙中最冷的天然天体是距地球约5000光年的布莫让星云（Boomerang Nebula），温度低至 1 K（- 272 ℃）。

38 pK的磁化气体（左）和不来梅塔（右）（图片来源：参考文献[1]）


于2018年5月发射的美国冷原子实验室（Cold Atom Laboratory），目前报道的最低温是52 pK（±10pK）。在接近绝对零度时，原子几乎停止振动，达到一种称为玻色-爱因斯坦凝聚态的状态——物质的第五种状态。科学家通过测量BEC的温度，进而逼近绝对零度。在国际空间站冷原子实验室的微重力环境下，BEC可以存在更长的时间。

美国国家航空航天局（NASA）的冷原子实验室（图片来源：NASA）


也许说有一个“最冷”并不妥切。温度的世界记录涉及科学、技术、工程等方面的复杂性、真实性、客观性以及相对统一的看法。


另外，从数据精度上，这些极低温均为间接测量，通过原子密度或速度分布，遵循玻尔兹曼定律反算出温度，所以在pK级温度下的误差或不确定度比较大，52 pK与38 pK大致处于同一区间。


现在想要得到一个最低温的世界纪录，最理想的结果是有新的方法出现，把温度进入飞开级（10-15K）。


为什么我们一直在追求低温？


对极低温度的追求，并不仅仅只是人类对物理极限的挑战。杜瓦曾预言，越接近绝对零度，温度尺度下的“科学探索空间就越广阔”，也就是说在低温环境下蕴含着更多待发现的新物理。低温技术如同“解锁自然”的钥匙。这是因为温度降低，物质的微观特性就暴露出本真的样子。


随着液氦温区低温制冷技术的发展，人们发现了超导等新的物理现象，每隔一段时间，就会有低温的相关研究获得诺贝尔奖。粒子物理科学、量子物理、材料科学和生物医学等微观结构成像都离不开低温技术。可以说，“创造低温，就是创造认知自然新的可能性”。


以量子计算为例。“低温物理与信息处理具有先天和内在的关联”，现代低温技术的起源也正是发展半导体信息技术的需要。低温在量子计算领域主要解决两方面问题。


量子计算的优势源于量子力学赋予的并行性和纠缠性。与经典比特只能表示0或1不同，量子比特可以同时处于0和1的叠加态。极低温环境是量子计算的基础条件，且只有在毫开级（mK）温度下，量子比特才同时出现0和1的叠加状态。

搞量子计算的第一步——把“空调”打开，不过，温度要调到毫开级哦


量子计算中部分场景用到的光子能量比可见光要小5个数量级。在如此低能的能级，要想保持其中量子态的相干性，环境中的噪声（涨落）就必须远低于这个能级差。如果清楚地看到一个量子电路中量子态的相干演化，所需环境温度一般需低至30 mK以下，越低越好。


更重要的是，量子计算的实用化需要解决量子比特的稳定性和纠错难题。量子比特极易受环境干扰，发生退相干效应则导致信息丢失。实验显示，目前单量子比特运算错误率已降至 0.000015%（相当于每进行 670 万次操作才出现一次错误），这一成果为量子计算满足实用需求奠定了重要基础。为提高量子比特的安全性等，通常需要环境温度远低于100 mK，10 mK稀释制冷机往往是超导量子计算机的标配。


我们研究啥？把“永久气体”变液体


说到低温技术，不能不提一种气体——氦气。

氦气是沸点最低的气体，曾经被认为是“永久气体”。氦共有八种同位素，其中氦-4（⁴He）在常压下的沸点为4.2K（约-269℃）。


从19世纪末到20世纪初，科学界出现了挑战液化“永久气体”的一场技术竞赛，在这个过程中，意外发现了超导现象，产生了经典物理学之外的新物理。可以说，液氦是打开超越经典物理的量子世界大门的一把钥匙。


从普通4K温度下的液氦到约2.17K温度下的超流氦-4（氦-3超流温度为2.5 mK），会发生超越经典物理无法解释的物理转变，主要表现为液体将几乎失去粘性，导热性能急剧升高（是铜的800倍）等。


超流氦本质上是一种宏观尺度下可直接观测的量子效应，打破了 “量子现象只存在于微观粒子” 的常认知。直白来说，整个超流氦液体就是一个“大的宏观量子粒子”，其流动、导热等行为，不再遵循经典理论，而是遵循量子力学规律。这种量子性质使其常用作先进高能物理研究的冷却介质。


由于氦-3（³He）的超流温度很低，约2.5 mK，因此也可利用这个性质制作稀释制冷机，这是一种极低温制冷机，可以提供量子计算等需要的低温环境。


液氦温区低温制冷和冰箱空调的基本原理类似，也是通过制冷剂的热力学循环，实现热量由低温环境向室温环境的转移。由于氦的沸点最低，在很低的温度下不会冻成冰，导致管道堵塞而无法循环，所以氦气通常作为1.8 K~20 K（-271℃~253℃）制冷系统的工作介质。


最后，分享一点我们中国科学院理化技术研究所在低温制冷方面的一些工作。我们所主要关注液氢温度（20K）以下的各种低温技术。简单来说，就是通过将氦气压缩—膨胀—节流的方式，将氦气转化为液氦。氢气液化的原理与之一致。

氦气压缩机，用于国内第一套每天可生产五吨液氢的氢液化器（2023年，图片来源：作者提供）

液氦温区万瓦级氦制冷机模型（来源：新华社）

全国产5吨/天氢液化器（模型）在中国科学院科学节展出（图片来源：作者提供）


上图是我国首套氢膨胀5吨/天氢液化系统模型。液氢产能5吨是什么概念呢？根据公开资料，有“冰箭”美誉的长征五号B运载火箭的芯一级液氢加注量约为24.7吨。这套设备比目前某现场液氢燃料生产要大一倍，这就意味着我们为将来发展探月工程、火星探测以及更远的深空探测做好了燃料供应准备。


总之，低温制冷应用是非常广泛的，未来可能催生很多重要突破，最典型的代表是可控核聚变、粒子物理和超导研究等方面，让我们一起期待。


参考文献：
[1] Asenbaum, Peter et al. Atom-Interferometric Test of the Equivalence Principle at the 10^{-12} Level. Physical review letters vol. 125,19 (2020): 191101. doi:10.1103/PhysRevLett.125.191101

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来源：科学大院

编辑：东君

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不代表中科院物理所立场

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零度是以水液态与固态的临界点来定的吧。太学术看不懂！