为啥绝对零度是-273.15℃？还有零有整的？

superzhzh

你可能知道绝对零度，

还知道绝对零度等于-273.15摄氏度，

但有没有想过，

为什么是“-273.15”？

这个有零有整的数字是怎么得到的？

01

绝对零度为啥是-273.15℃？

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。

温度计

图源：版权图库

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

图源：Hulton Archive

阿蒙东通过实验发现，“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。而“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”。
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）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。

开尔文勋爵

图源：Wikipedia

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。
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

02

“宇宙最冷的地方”……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”。

38 pK的磁化气体（左）和不来梅塔（右）

图源：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。

美国国家航空航天局（NASA）的冷原子实验室

图片来源：NASA

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 ℃）。

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）。

03

如何创造“超极低温”？

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℃）。
从普通4K温度下的液氦到约2.17K温度下的超流氦-4，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。
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。
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，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。


04

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”。
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”。低温技术如同“解锁自然”的钥匙，物质的微观特性会暴露出本真的样子。
以量子计算为例，它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

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。
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，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




本文出品自“科学大院”公众号（kexuedayuan）

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superjiaming

0k就是原子不动的温度吧……懒是一种天性，所以我们追求，

gzcom520

整的其实是绝对零度，水从固态转液态的那个点才是有小数点的。

lovejuan0104

看着是说了很多，对大多数人来说好像又什么也没说

陪着寂寞看孤单

圣斗士星矢，冰河最后达到了绝对零度

月光如水

多神奇，最高温度没有尽头，最低温-273.15

gzcom520

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。

咖啡豆

怎么来的

meto

既然有个最低温度，那有没有一个最高温度？？

lovejuan0104

这也能成一篇新闻吗？毕竟温度单位是人类自己给的定义，大自然的规则可不会按照人类的定义来