-273.15摄氏度的研究简史

1848年，英国科学家威廉·汤姆逊·开尔文勋爵（1824～1907）建立了一种新的温度标度，称为绝对温标，它的量度单位称为开尔文（K）。这种标度的分度距离同摄氏温标的分度距离相同。它的零度即可能的最低温度，相当于零下273摄氏度（精确数为-273.15℃），称为绝对零度。因此，要算出绝对温度只需在摄氏温度上再加273即可。那时，人们认为温度永远不会接近于0（K），但今天，科学家却已经非常接近这一极限了。

物体的温度实际上就是原子在物体内部的运动。当我们感到一个物体比较热的时候，就意味着它的原子在快速运动：当我们感到一个物体比较冷的时候，则意味着其内部的原子运动速度较慢。我们的身体是通过热或冷来感觉这种运动的，而物理学家则是绝对温标或称开尔文温标来测量温度的。

按照这种温标测量温度，绝对温度零度（0K）相当于摄氏零下273.15度（-273.15℃）被称为“绝对零度”，是自然界中可能的最低温度。在绝对零度下，原子的运动完全停止了，那么就意味着我们能够精确地测量出粒子的速度(0)。然而1890年德国物理学家马克斯·普朗克引入的了普朗克常数表明这样一个事实：粒子的速度的不确定性、位置的不确定性的乘积一定不能小于普朗克常数，这是我们生活着的宇宙所具有的一个基本物理定律(海森堡不确定关系) 。那么当粒子处于绝对零度之下，运动速度为零时，与这个定律相悖，因而我们可以在理论上得出结论，绝对零度是不可以达到的。

自然界最冷的地方不是冬季的南极，而是在布莫让星云。那里的温度为零下272摄氏度，是目前所知自然界中最寒冷的地方，成为“宇宙冰盒子 ”。事实上，布莫让星云的温度仅比绝对零度(零下273.15℃)摄氏度高1度多。　这个“热度”（因为实际上我们谈到的温度总是在绝对零度之上）是作为宇宙起源的大爆炸留存至今的热度，事实上，这是证明大爆炸理论最显著有效的证据之一。

在实验室中人们可以做得更好，能进一步地接近于绝对零度，从上个世纪开始，人们就已经制成了能达到3K的制冷系统，并且在10多年前，在实验室里达到的最低温度已是绝对零度之上1/4度了，后来在1995年，科罗拉多大学和美国国家标准研究所的两位物理学家爱里克·科内尔和卡尔威曼成功地使一些铷原子达到了令人难以置信的温度，即达到了绝对零度之上的十亿分之二十度（2×10^-8 K）。他们利用激光束和“磁陷阱”系统使原子的运动变慢，我们由此可以看到，热度实际上就是物质的原子运动。非常低的温度是可以达不到的，而且还要以寻求“阻止 ”每一单个原子运动，就像打台球一样，要使一个球停住就要用另一个球去打它。弄明白这个道理，只要想一想下面这个事实就够了。在常温下，气体的原子以每小时1600公里的速度运动着，而在3K的温度下则是以每小时1米的速度运动着，而在20nK（2×10^-8 K）的情况下，原子运动的速度就慢得难以测量了。在20nK下还可以发现物质呈现的新状态，这在70年前就被爱因斯坦和印度物理学家玻色（1894～1974）预见了。而目前实验室已获最低温度为2.4×10^-11 K。

事实上，在这样的非常温度下，物质呈现的既不是液体状态，也不是固体状态，更不是气体状态，而是聚集成唯一的“超原子”，它表现为一个单一的实体。

19世纪中期，开尔文男爵威廉·汤姆森定义了绝对温度，在此规定下没有物质的温度能低于绝对零度。气体的绝对温度与它所包含粒子的平均能量有关，温度越高，平均能量越高，而绝对零度是气体的所有粒子能量都为零的状态，这是一种理想的理论状态。到了上世纪50年代，物理学家在研究中遇到了更多反常的物质系统，发现这一理论并不完全正确。

慕尼黑路德维格·马克西米利安大学物理学家乌尔里奇·施奈德解释说，从技术上讲，人们能从一条温度曲线上读出一系列温度数，但这些数字表示的只是它所含的粒子处于某个能量状态的概率。通常，大部分粒子的能态处于平均或接近平均水平，只有少数粒子在更高能态上下。理论上，如果这种位置倒转，使多数粒子处于高能态而少数粒子在低能态，温度曲线也会反过来，温度将从正到负，低于绝对零度。2001年诺贝尔物理学奖获得者沃尔夫冈·克特勒也曾证明，在磁场系统中存在负绝对温度。

在正温度下，这种逆转是不稳定的，原子会向内坍塌。他们也同时调整势阱激光场，增强能量将原子稳定在原位。

克特勒现任美国麻省理工大学物理教授，他称此最新成果为一项“实验的绝技” 。在实验室里，反常高能态在正温度下是很难产生的，而在负绝对温度下却会变得稳定——“就像你能把一个金字塔倒过来稳稳的放着，而不必担心它会倒。 ”克特勒指出，该技术使人们能详细研究这些反常高能态，“也可能成为创造新物质形式的一条途径。”

德国科隆大学理论物理学家阿希姆·罗施说，如果真能造出这些物质系统，它们会表现出奇特的行为。根据和他的同事计算，正常情况下原子云受重力影响会被向下拉，如果一部分云处于负绝对温度，某些原子就会向上运动，明显违背重力作用。

负绝对温度气体还能模拟“暗能量”。暗能量是推动宇宙加速膨胀、抵抗万有引力内向拉力的力量。施奈德指出，在他们生成的气体中，相互吸引的原子也有向内坍塌趋势，但负绝对温度却能遏制它们向内运动而保持稳定。这种宇宙中普遍存在的奇特现象如今也能在实验室看到，值得宇宙学家进一步研究。

物理学上空的“两朵乌云 ” 在历史跨入新世纪的日子里，英国科学界声名显赫的元老开耳芬勋爵，于1900年4月27日在皇家学会发表了一篇著名的讲演。开耳芬勋爵本名威廉·汤姆逊，是英国杰出的理论和实验物理学家，二十二岁就当上了格拉斯哥大学的自然哲学教授。他在电磁学和热学研究方面取得了显著的成就，一生共发表了约七百篇科学论文。从1858年起，他领导完成了横越大西洋、连接欧美两大洲的海底电缆敷设工程。他还为大不列额建立了第一所物理实验室。由于卓著的成就和出色的贡献，他于1851年就被选为伦敦皇家学会会员，1890年到1895年担任皇家学会会长，1892年被封为开耳芬勋爵。开耳芬勋爵后来以新世纪初的这次讲演为基础写了一篇文章，补充了从1900年初到文章完成之日(1901年2月3日)为止的十三个月的工作，扩展了在讲演中阐述的问题。他的秘书安德森帮他绘制了各种精确的几何图形，进行了许多代数和算术运算，核对了大量的个别结果。开耳芬的文章以“悬浮在热和光动力理论上空的十九世纪的乌云”为题，刊登在了1901年7月出版的《哲学杂志》和《科学杂志》合刊上。文章一开始，开耳芬就开门见山地写道：“动力学理论断言热和光都是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。第一朵乌云是随着光的波动论而开始出现的，菲涅耳和托马斯·扬研究过这个理论；它包括这样一个问题：地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动呢？第二朵乌云是麦克斯韦—玻耳兹曼关于能量均分的学说。” 关于第一朵乌云，即“以太和可称量物体的相对运动”，开耳芬回顾并分析了物理学家对这个问题的看法。他认为，如果我们有一个令人满意的基本的以太和物质的关系，以代替旧的使人为难的观念——当物质原子相对于它们周围的以太运动时，原子就要排除它们前面空间中的以太——那么就可以使所有现象更快地得到充分解释。开耳芬十分赞同菲涅耳的观点，他不同意托马斯·扬的下述看法：以太在物体分子和原子间通过时，犹如清风吹过树丛一样，并不是完全自由的。按照菲涅耳的静止以太说，如果忽略地球自转和整个太阳系的运动，那么在平行于地球公转轨道的切线上理应存在每秒三十公里的以太流。“但是，哎呀！与该结论相抵触的事发生了，地球大气中的以太相对于地球并不运动 ”，迈克耳逊和莫雷精心完成的实验证明了这一点。“该实验的结果可以保证是可靠的”，“无论在实验的设想方面或实施方面，我无法看出任何缺陷” 。然而，斐兹杰拉德和洛仑兹各自独立地做出的“出色建议 ”似乎已经摆脱了面临的困境，使得“实验结果不能驳倒以太通过地球所占空间是自由运动着”的结论。尽管开耳芬倾向静止以太说并赞同收缩假说，但是他好像还是理智地认为，这个问题依然悬而未决。他在这里对此持谨慎态度：“恐伯我们还必须把第一朵乌云看作是很浓密的。” 开耳芬用大部分篇幅详细讨论了“第二朵乌云 ” 。他简单地回顾了能量均分学说产生的过程，分析了该学说的内容和遇到的因难，他特别列表指出双原子或多原子气体比热的理论计算值和实际观测值的距离。开耳芬断言：“与观察的明显偏离绝对足以否证玻耳兹曼—麦克斯韦学说” ，“事实上，玻耳兹曼—麦克斯韦学说的偏差比我们列举的还要大”，“实际不存在玻耳兹曼—麦克斯韦学说与气体比热真实情况相符的可能性。 ” 他在文章中极力强调两个大胆的结论：就玻耳兹曼—麦克斯韦学说而言，使人颇为不满的是：数学定论没有证明，实验定论也不可靠。与瑞利企图维护玻耳兹曼—麦克斯韦学说的做法针锋相对，开耳芬明确提出：“达到所期望结果的最简单途径就是否认这一结论”。他信心十足地预言，第二朵“在十九世纪最后四分之一时期内遮蔽了热和光分子论亮光的乌云，人们在二十世纪初就可以使其消失。” 在物理学史上，开耳芬勋爵索以保守著称，但是他的这次讲演却深中肯邃，他不仅洞察到十九世纪物理学面临的两个难题，而且还指出了较为明智的努力方向。这固然与他的天才的直觉能力有关，恐怕也不能无视世纪之交物理学革命洪流的冲击。]