揭秘溫度：對撞機(jī)制造4萬億度高溫為何未燒毀

通過“馬德堡半球”實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家終于發(fā)現(xiàn)氣體體積、壓力和溫度之間存在著復(fù)雜的關(guān)系


攝氏溫標(biāo)是由攝爾修斯發(fā)明的


“布莫讓星云”是宇宙中已知最冷的地方

　　最近，美國科學(xué)家制造出了4萬億度的高溫，這個(gè)匪夷所思的數(shù)字讓人很難把它和“北京夏天40攝氏度高溫”聯(lián)系起來。4萬億度的高溫是如何“測”出來的，這樣的溫度意味著什么？溫度確實(shí)是一個(gè)非常難以理解又引人入勝的話題，當(dāng)我們說溫度時(shí)我們在說些什么呢？
　　1 建立 熱力學(xué)，路漫漫
　　從直觀上來說，溫度和人對冷熱的感受有關(guān)。冷熱是人類最容易直觀地感覺到，但同時(shí)又最晚被理解的現(xiàn)象之一。從人類誕生之日，就已經(jīng)注意到春暖冬寒，有些古人還試圖從理論上解釋冷熱的原因，比如東漢的王充曾寫道：“夫近水則寒，近火則溫，遠(yuǎn)之漸微，何則？氣之所加，遠(yuǎn)近有差也。”但是真正從科學(xué)上研究熱的熱力學(xué)還是1656年才出現(xiàn)的。當(dāng)年，愛爾蘭科學(xué)家波義爾和英格蘭科學(xué)家胡克繼續(xù)“馬德堡半球”實(shí)驗(yàn)開創(chuàng)的氣體真空研究，終于發(fā)現(xiàn)氣體體積、壓力和溫度之間存在著復(fù)雜的關(guān)系。
　　1714年，荷蘭人華倫海特(Daniel Fahrenheit)改良水銀溫度計(jì)，定出華氏溫標(biāo)，建立了溫度測量的一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)，使熱學(xué)走上了實(shí)驗(yàn)科學(xué)的道路。1824年，法國科學(xué)家卡諾，第一個(gè)把熱和動(dòng)力聯(lián)系起來，是熱力學(xué)的真正的理論基礎(chǔ)建立者。經(jīng)過許多科學(xué)家兩百年的努力，到1912年，能斯脫(Walther Hermann Nernst)提出熱力學(xué)第三定律后，人們對熱的本質(zhì)才有了正確的認(rèn)識，并逐步建立起熱學(xué)的科學(xué)理論。
　　2 計(jì)量 溫標(biāo)是何物？
　　熱學(xué)的基礎(chǔ)是溫度，如果連溫度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)都沒有，那么我們今天的溫度標(biāo)準(zhǔn)是怎么來的呢？
　　攝氏溫度是目前世界使用比較廣泛的一種溫標(biāo)。它是18世紀(jì)瑞典天文學(xué)家攝爾修斯(Anders Celsius)提出來的。在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，他把水的沸點(diǎn)定為0℃，水的凝固點(diǎn)定為100℃，其間分成100等分，1等分為攝氏1度。但是，在使用中，這種從低到高的排列從人們感到很不方便。第二年，攝爾修斯就把該溫度表的刻度值顛倒過來使用。這種溫度表被稱為攝氏溫標(biāo)(又叫百分溫標(biāo))。后人為了紀(jì)念攝爾修斯，用他的名字第一個(gè)字母“C”來表示。
　　在美國，人們采用華氏溫標(biāo)。我們知道“華氏451”是紙燃燒的溫度，有時(shí)還聽說誰發(fā)燒到“102華氏度”這樣的說法。那么，華氏度是怎么回事呢？
　　華氏溫標(biāo)是1714年由荷蘭人華倫海特制定的。在這一年，他制成了第一支玻璃水銀溫度計(jì)。最初，華氏溫標(biāo)以NH4Cl(氯化銨)和水的混合物的溫度為0℉，而以人(他妻子)的體溫為100℉(后來修正為96℉)。此后，改為冰水混合物為32℉(即冰點(diǎn))，而以水沸點(diǎn)的溫度為212℉，這就是華氏溫標(biāo)。
　　由此可知，攝氏溫度和華氏溫度的思路完全一樣，只是0點(diǎn)不同，刻度大小也不一樣。就溫度范圍來說，攝氏溫標(biāo)1度等于華氏溫標(biāo)9/5度，而0℃相當(dāng)于32℉，所以把華氏度減去32，再乘以5/9就得出攝氏度。利用這個(gè)換算公式，可以知道“華氏451”等于233℃；而“102華氏度”相當(dāng)于39℃，發(fā)燒到這個(gè)溫度還死不了人。
　　3 寒冷 溫度有條“底線”
　　有了溫度計(jì)，人們可以更深入、更準(zhǔn)確地研究熱。最初，科學(xué)家們認(rèn)為熱是一種單獨(dú)存在的物質(zhì)。這個(gè)理論被稱為“熱質(zhì)說”。這種說法把傳熱過程看作是“熱質(zhì)”的流動(dòng)過程，并且產(chǎn)生了“熱質(zhì)守恒定律”。這種學(xué)說沒法解釋摩擦生熱，所以一直受到挑戰(zhàn)。1798年，英國物理學(xué)家倫福德通過摩擦生熱的實(shí)驗(yàn)提出熱是物質(zhì)的一種運(yùn)動(dòng)形式。1799年，英國科學(xué)家戴維的冰摩擦生水的實(shí)驗(yàn)更推翻了熱質(zhì)說。
　　現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)確認(rèn)熱不是一種單獨(dú)的物質(zhì)，而是物質(zhì)內(nèi)粒子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)造成的現(xiàn)象，而溫度正是度量這種無規(guī)則運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的方法。所以，我們可以這樣粗略地理解溫度：溫度高就說明物質(zhì)內(nèi)粒子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)速度大，反之說明物質(zhì)內(nèi)無規(guī)則運(yùn)動(dòng)速度小。實(shí)際上，物質(zhì)內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)速度并不相同，溫度是“粒子運(yùn)動(dòng)激烈程度(動(dòng)能)平均值的一個(gè)指標(biāo)”。它是一個(gè)相當(dāng)不容易理解的概念。
　　根據(jù)溫度的定義，無論是攝氏溫度還是華氏溫度，它們的“零度”都不是真正的“零度”。因?yàn)樵诖藴囟认挛矬w的粒子還在做著相當(dāng)激烈的運(yùn)動(dòng)。那么，溫度有沒有最低值呢？科學(xué)家認(rèn)為，這個(gè)最低溫度確實(shí)存在，被稱為“絕對零度”，它等于-273.15℃。不過，宇宙中沒有什么地方是絕對零度，因?yàn)橹灰形镔|(zhì)，多少會(huì)受到周圍輻射等因素的作用而產(chǎn)生粒子的運(yùn)動(dòng)。宇宙中最冷的天體“布莫讓星云”(Boomerang Nebula)的溫度是-272℃。同時(shí)，根據(jù)熱力學(xué)第三定律，熱量只能從溫度高的物體傳到溫度低的物體，要使物體降溫到絕對零度，只能用低于這個(gè)溫度的物體來吸取它的熱量，這肯定是不可能的，所以人工也沒法制造出絕對零度。現(xiàn)在，科學(xué)家只能制造出比絕對零度高出10-10攝氏度的低溫。有“絕對零度”，就有“絕對溫度”。絕對溫度以絕對零度為零度，溫度間隔和攝氏度一樣，其單位是開爾文(K)，絕對溫度等于攝氏溫度加273.15。
　　4 熾熱 溫度高，未必?zé)?/strong>
　　定義了零度，我們就可以定義更高的溫度。水銀溫度計(jì)根據(jù)汞熱漲冷縮原理制成。它一般只能被用于測量150℃以下的溫度。一旦超過2000℃，任何需要熱傳遞的接觸式溫度計(jì)都沒法用了。不過，不用接觸傳熱科學(xué)家們也能測溫。基于溫度和能量的關(guān)系，科學(xué)家可以計(jì)算出不同溫度放射出的電磁波波長。電磁波按照從長到短的不同波長來區(qū)分，依次是無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線等。一般來說，波長越短的電磁波，攜帶的能量越高。因此，物體的溫度越高，它所發(fā)出的電磁波中所包含的短波長成分也越多。所以，可以通過天文望遠(yuǎn)鏡觀察天體放射的電磁波，來了解它們的溫度。用這種方法，我們可以知道太陽的中心溫度大約是2000萬度。
　　美國科學(xué)家已經(jīng)在相對論重子對撞機(jī)中制造出了4萬億度的高溫，這個(gè)溫度是怎么測出來的呢？中科院理論物理研究所研究員李淼說，這個(gè)數(shù)據(jù)是通過參與碰撞的粒子的能量算出來的，當(dāng)然也可以觀測到一些和這個(gè)溫度相關(guān)的現(xiàn)象，比如電磁輻射。
　　但是新的問題又出現(xiàn)了，這4萬億度的高溫是在加速器的管子里生成的，那管子還不全融化了啊？這就牽扯到一個(gè)重要的科學(xué)事實(shí)：溫度和我們感受到的熱是兩回事！當(dāng)我們泡溫泉的時(shí)候，水溫達(dá)到50℃就覺得燙得不行了，可蒸桑拿的時(shí)候，桑拿房的室溫達(dá)到80℃我們也不會(huì)被燙傷。這是因?yàn)闇厝锼肿拥拿芏缺日裟梅坷锏臍怏w分子密度高得多。它能夠把更多的熱量(也就是粒子的動(dòng)能)傳給人體，所以50℃的溫泉池比80℃的桑拿房要“熱”得多。我們還可以找到更極端的案例，距地球50億光年的地方有一個(gè)RXJ1347.51145星系，其內(nèi)部存在溫度高達(dá)3億℃的氣體，但是假如我們置身其中，卻根本就不會(huì)感到熱！因?yàn)槟切怏w的密度非常低，每一立方厘米大約只有0.0001到0.01個(gè)原子(或離子)。同樣的道理，對撞機(jī)里的高溫也不會(huì)熔化管子，因?yàn)閷ψ矙C(jī)里的物質(zhì)是很少的。
　　溫度的世界有很多讓人費(fèi)解的地方，中科院物理研究所研究員曹則賢在接受本報(bào)記者采訪時(shí)強(qiáng)調(diào)，在日常生活中我們所說的“溫度”往往和科學(xué)定義區(qū)別很大，短短一篇文章也不可能真正讓人理解溫度的概念。所以，要想真正理解“我們在說溫度的時(shí)候都在說些什么”，還需要查閱專業(yè)教科書。
    新京報(bào)
　　本版圖片均為資料圖片 本專題感謝：
　　李淼(中科院理論物理研究所研究員)
　　曹則賢(中科院物理研究所研究員)
　　本專題部分資料來自《Newton科學(xué)世界》