科学史上最经典的大力出奇迹，莫过于用“土法制冷”挑战绝对零度

2024-12-06 10:55科技之最

19世纪70年代末，法国科学家路易斯·保罗·卡耶泰在低温研究方面取得了重大突破。他成功地制得了液氧和液氮，液氧的温度达到了-183°C，液氮的温度则达到了-196°C。

这一成果的取得，为低温领域的发展带来了新的契机。

卡耶泰的成功并非偶然，他充分运用了焦耳 - 汤姆森效应。这一效应表明，气体在等焓环境下膨胀时，温度会发生变化。

当环境温度低于某一反转温度时，气体膨胀会导致温度下降；反之则会上升。大多数气体的反转温度高于室温，所以在膨胀过程中温度通常会下降。

不过，氢气和当时尚未分离出的氦气是例外，它们的反转温度远低于室温，这就导致在室温下膨胀时它们的温度反而会升高。在卡耶泰取得重要成果之后，苏格兰科学家詹姆斯·杜瓦成为了挑战“永久气体”氢气液化的关键人物。当时，科学界普遍认为，要将氢气液化，至少需要达到-250°C的极低温度，这在当时的技术条件下，无疑是一项极其艰巨的任务。然而，杜瓦并没有被困难吓倒。他设想了一种独特的方法：首先使用一种能够在常温下压缩并液化的气体，通过液化后再膨胀来获得低温，然后用这种低温去冷却下一种更难液化的气体。

如此层层递进，逐步达到使氢气液化所需要的足够低的温度。

为了实现这一目标，杜瓦面临着诸多技术难题，同时他还必须发明新的设备。而制造这些设备需要大量的资金，为了筹集资金，杜瓦常在皇家学会的实验室中向来宾展示液化气体的独特性质，以吸引他们的关注

但实验过程并非一帆风顺。1886年，在伦敦发生了一次严重的爆炸事故。

杜瓦在实验中不慎将液氧与液态乙烯混合，这一意外差点让他的科学事业就此终结。不过，杜瓦并没有选择放弃。

他通过氯甲烷、乙烯、氧气和氢气的多级串联方法，经过不懈的努力，终于成功制得了仅20立方厘米的液氢。当时，储存罐承受了180个大气压，温度达到了-205°C。

杜瓦将液氢引入膨胀管，观察到温度计的读数稳步下降，最终达到了-252°C的新纪录，成功地完成了这一几乎“不可能的挑战”。

杜瓦的成功为低温研究打开了新的局面，荷兰科学家昂内斯则在此基础上继续前行。昂内斯利用杜瓦的装置以及充足的资金，建造了液氢工厂。

经过持续不断的努力，他创造了奇迹，成功制得了液氦，温度达到了4.2K（-268.95°C）。

在接近绝对零度的温度下，许多物质展现出了前所未有的特性。这一发现对于流体力学和电磁学等领域具有重要的意义。昂内斯的这一成就，使他荣获了诺贝尔奖，同时也推动了低温物理学的进一步发展

让我们把时间回溯到更早的时候。早在1702年，法国物理学家纪尧姆·阿蒙顿就率先提出了寒冷是否有极限的问题。

为了探究这个问题，他对温度计进行了改进。他所使用的是一种将空气和水银相结合的温度计，通过空气体积随温度变化而带动水银移动来显示刻度。

在反复的实验和观察中，阿蒙顿发现温度计的最小数值存在一个极限，也就是零点，按照现今的推算约为 -240°C。这一发现，如同在黑暗中点亮了一束希望之光，为后续的研究奠定了基础。时间来到1785年，法国物理学家雅克·查尔斯接过了探索的火炬。他通过一系列精心设计的实验，发现了气体在压强恒定时，温度与体积之间的奇妙关系。

他的实验结果表明，在体积恒定的情况下，温度每降低1°C，气体的压强大约会降低其在0°C时压强的1/273。根据这一规律进行推算，当气体温度降低到 -273°C时，压强就会变为零，形成真空。

尽管这一极限在当时看来似乎遥不可及，但却为后来的研究指明了方向。19世纪，英国物理学家威廉·汤姆森（即开尔文男爵）依据前人的研究成果，正式提出了绝对零度的概念。他将绝对零度解释为物体内能降低至零，分子运动完全停止的状态。

这一概念的提出，为热力学领域设定了一个终极目标，引发了科学界对低温极限更为深入的探索。

在追求绝对零度的道路上，迈克尔·法拉第是一位重要的先驱。1845年，法拉第通过初步的压缩技术和冰浴法，与温度展开了一场激烈的较量。

在他的努力下，多种气体成功地转化为液态，达到了 -130°C的低温。这是一个了不起的成就，然而，氧气、氮气和氢气等几种气体却始终难以被液化。

受当时理论的限制，法拉第将这些气体视为“永久气体”，认为它们无法被压缩成液态。尽管如此，法拉第的研究为后来的科学家们指明了前进的方向，如同在挑战绝对零度的征途中，为后人将脚步推进到了山脚下。在人类探索低温领域的征程中，这些科学家们的探索精神和不懈努力，推动了人类对温度极限的认识不断深化。他们的研究成果不仅在科学理论上具有重要意义，也为后来的实际应用奠定了坚实的基础。

他们的付出，让我们对温度的奥秘有了更为深入的理解，也让我们对未知的世界充满了更多的期待与憧憬。