科學史上，最經典的大力出奇迹：通過“土法制冷”來挑戰絕對零度
要說“土法制冷”那第一反應就是非洲那些小哥用泥土制造的“土冰箱”了。不過此土法非彼土法，咱們今天要說的“土法制冷”實際上是科學家們對絕對零度的挑戰。
非洲小哥制造“土冰箱”那麼用這個方法挑戰成功了嗎？很遺憾，并沒有成功，而且在宇宙中永遠不可能實現。
絕對零度是個什麼概念？為何絕對零度是我們無法觸及的“禁區”？把“土法制冷”的方法用到極緻後的結果是什麼？科學家為了挑戰絕對零度還做了什麼？
絕對零度：是熱力學的最低溫度就像一個數學問題的提出，有時候需要幾百年才能得到驗證。絕對零度的概念同樣讓一衆科學家紛紛向其發起挑戰。今天我們就來了解一下科學家們挑戰絕對零度的過程，看他們如何創造出科學界最經典的大力出奇迹，将“土法制冷”用到極緻的呢？
普朗克溫度和絕對零度的概念
在說絕對零度之前，我們首先要知道宇宙中的溫度是什麼。溫度對于我們來說就是身體對這個世界十分直觀的感知，溫度高了會熱，溫度低了會冷。
浩瀚的宇宙
一旦有了這個認知後，人們也就對宇宙中的溫度産生了疑問。人們在探索世界的時候，就喜歡從“最”開始，于是科學家就開始研究，宇宙中的最高溫度和最低溫度是多少。
而從微觀上講，溫度是物體粒子熱運動的劇烈程度。也就是說當粒子的運動達到最大速度時，這時的溫度就是宇宙中的最高溫度。在量子力學中，科學家将普朗克單位作為一個基礎極限的單位。
氣體、液體和固體中，粒子的狀态完全不同普朗克溫度就是溫度的基礎上限，通過計算，我們得出的宇宙最高溫度大概就是1.4億億億億℃。而在宇宙大爆炸理論中，在宇宙爆炸的那一瞬間就達到過普朗克溫度。
關于普朗克溫度的概念咱們就先點到為止，接下來說的才是今天的重點，也就是溫度的最低極限，絕對零度。
宇宙最高溫度大概就是1.4億億億億℃絕對零度概念的提出
我們現在知道的關于絕對零度的概念，就是當粒子不再進行熱運動時，就可以達到絕對零度，也就是0K，用攝氏度表示就是-273.15℃，用華氏度來表示就是-458.67℉。
最開始引出對絕對零度探讨的，是法國物理學家紀堯姆·阿蒙頓。他在1702年提出低溫是否有極限的問題。最開始阿蒙頓研究的是摩擦力，後來他又發現氣體中的溫度和氣壓存在某種關系。
水銀體溫計于是經過實驗，得出溫度與氣壓的關系成正比，當時做的實驗就是将裝有空氣和水銀的溫度計放到水裡，由此來觀察溫度的變化。根據溫度計上的刻度顯示，當水結冰時為51，當水沸騰時為73。
我們将其與現在的溫度進行換算，可以發現阿蒙頓使用的溫度計的刻度單位為4.55℃。阿蒙頓得出的結論是，當空氣的體積與相應壓力為零時，也就是達到溫度計上的刻度0時，就不能再繼續冷卻。
溫度計于是我們可以根據其刻度單位，計算出阿蒙頓得出的最低溫度是-232.05℃。不過這還沒有達到我們現在概念上的最低溫度。随後的幾十年裡，又有很大一部分科學家鑽進了研究最低溫度的洞裡。
時間來到1785年，法國物理學家雅克·查爾斯通過實驗發現體積恒定下，當溫度已經達到0℃時，每下降1℃，壓強就會降低1/237。當壓強降低為零時，得到的最低溫度就是-237℃。
分子運動與溫度的關系
而正式定義絕對零度的是英國物理學家威廉·湯姆森，他在19世紀時對前人的結論進行總結。将絕對零度的狀态解釋為，粒子的運動完全停止，其内能也就降至為零。
他還在1848年建立了一個不依賴任何單一材料性質的熱力學溫度标度，也就是現在的絕對溫标。由于後面威廉晉升為開爾文公爵，于是在1892年時，這個标尺也就成了現在的開爾文标尺，單位為K。
不同溫度尺度比較絕對零度在宇宙中不可能實現
為什麼說絕對零度是我們無法觸及的“禁區”呢？我們知道，當粒子不再進行熱運動時，它的動能也就不存在了，不過其勢能仍然存在，而内能并不會直接降至為零，而是趨近于零，達到最小值。
由于宇宙中的一切物質都由基礎粒子構成，所以除非宇宙直接變成不包含任何物質的真空狀态，否則就不可能達到絕對零度，而隻能無限趨近于絕對零度。
組成物質的基本粒子即便是宇宙中最冷的地方，回力棒星雲的溫度也有1K，也就是-270.35℃，仍然要比絕對零度高幾攝氏度，不過已經十分接近絕對零度了。
科學家用“土法制冷”挑戰絕對零度
其實有很多科學家在最低溫度的問題提出來後，就一直緻力于達到絕對零度，盡管當時的概念還沒有很清晰。
邁克爾·法拉第最開始科學家們局限于在氣體狀态下尋找絕對零度，但結果可想而知。直到1845年，邁克爾·法拉第用初級壓縮和冰浴的方法，獲得了幾種液态氣體，最低溫度達到-130℃。
其實這也算一次偶然的發現，當時法拉第用水合氯醛的方式制作出了液态氯。結果他把液态氯放到密封的試管後，突然發生爆炸，然後液态氯就瞬間變成了氣态。
物态變化有6種：熔化、凝固、汽化、液化、升華、凝華于是法拉第就想到，那是不是氣态的氯也會在壓力下轉化為液态呢？随後為了證明這個觀點，他就進行了一系列實驗。
結果他确實獲得了很多氣體的液态形式，但是有幾種氣體他卻拿它們沒有辦法，氧氣、氮氣、氫氣被法拉第認為是無法被壓縮成液态的“永久氣體”。
焦耳-湯姆孫效應示意圖于是後來的科學家就開始對這幾種氣體進行鑽研和實驗。先是法國科學家路易斯·保羅·卡耶泰用焦耳-湯姆孫效應（氣體在節流過程中，溫度會随壓強的變化而變化），獲得了-183℃的液氧和-196℃的液氮。
那麼接下來就是攻克液氫了，當時蘇格蘭物理學家詹姆斯·杜瓦就成功解決了這個難題。
詹姆斯·杜瓦之前獲得液氧和液氮用到的主要是一種“階式液化的方式，就是先獲得一種比較容易獲得的液态氣體，然後再用這個氣體，通過增加壓力的方式給另外一種氣體降溫，從而達到第二種氣體的液态。
而杜瓦當然也想用這種“土方法”，但是液态的沸點低至-252.78℃，顯然當時的設備沒有辦法做到。于是在這樣的境況下，杜瓦隻能想辦法發明一種新的設備。
正在實驗室裡拿着杜瓦瓶的詹姆斯咱就是說，這種看似無法完成的挑戰，隻要心中足夠堅定，或許就真能像杜瓦一樣“大力出奇迹”。
他成功制造出新的設備，并通過“階式液化”将氯甲烷、乙烯、氧氣和氫氣進行多級串聯，最後得到20cm3的液氫，溫度低至-205℃。随後又将這些液氫放到膨脹管中，使其溫度又降至-252℃。
從左至右分别為氦氣、氖氣、氩氣、氪氣、氙氣不過氫氣并不是最難翻越的那座高山，因為在它之後，還有一種叫做氦氣的惰性氣體。
于是荷蘭科學家昂内斯就“撿了個漏”，在1908年，他直接用杜瓦的裝置，然後花了一筆資金建立了一個液氫工廠，最後得到溫度低至-268.95℃的液氦。
昂内斯得出-268.95℃的液氦後來他還在實驗中發現，當溫度降至最低時，汞和鉛的電阻會消失，還有一些其他物質同樣會在低溫下失去熱運動，使得電阻無限接近于0，于是就有了現在熟知的超導現象。
這一發現還讓他在1913年獲得了諾貝爾物理學獎。
諾貝爾獎不得不說，科學家們的意志力是真的好啊。一百多年的時間，經過重重磨難，終于從最初的概念到最後的“土法制冷”實踐，從氣體到液态氣體，從法拉第的-130℃到昂内斯的-268.95℃。
不夠關于絕對零度的挑戰并沒有結束，如今科學家已經通過激光冷卻和蒸發冷卻的方式達到了0.5K，這一結果已經十分接近絕對零度了。
絕對零度就是0K（約為-273.15℃或-459.67℉）而且科學家還通過鉀原子超冷量子氣體證明了磁場系統中的負絕對零度，其數值不過-1/1,000,000,000K。但這已經在一定程度上，打破了無法觸摸絕對零度的可能。
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