揭秘溫度：對撞機制造4萬億度高溫為何未燒毀

通過“馬德堡半球”實驗，科學家終于發現氣體體積、壓力和溫度之間存在著復雜的關系


攝氏溫標是由攝爾修斯發明的


“布莫讓星云”是宇宙中已知最冷的地方

　　最近，美國科學家制造出了4萬億度的高溫，這個匪夷所思的數字讓人很難把它和“北京夏天40攝氏度高溫”聯系起來。4萬億度的高溫是如何“測”出來的，這樣的溫度意味著什么？溫度確實是一個非常難以理解又引人入勝的話題，當我們說溫度時我們在說些什么呢？
　　1 建立 熱力學，路漫漫
　　從直觀上來說，溫度和人對冷熱的感受有關。冷熱是人類最容易直觀地感覺到，但同時又最晚被理解的現象之一。從人類誕生之日，就已經注意到春暖冬寒，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，遠之漸微，何則？氣之所加，遠近有差也。”但是真正從科學上研究熱的熱力學還是1656年才出現的。當年，愛爾蘭科學家波義爾和英格蘭科學家胡克繼續“馬德堡半球”實驗開創的氣體真空研究，終于發現氣體體積、壓力和溫度之間存在著復雜的關系。
　　1714年，荷蘭人華倫海特(Daniel Fahrenheit)改良水銀溫度計，定出華氏溫標，建立了溫度測量的一個共同的標準，使熱學走上了實驗科學的道路。1824年，法國科學家卡諾，第一個把熱和動力聯系起來，是熱力學的真正的理論基礎建立者。經過許多科學家兩百年的努力，到1912年，能斯脫(Walther Hermann Nernst)提出熱力學第三定律后，人們對熱的本質才有了正確的認識，并逐步建立起熱學的科學理論。
　　2 計量 溫標是何物？
　　熱學的基礎是溫度，如果連溫度計量標準都沒有，那么我們今天的溫度標準是怎么來的呢？
　　攝氏溫度是目前世界使用比較廣泛的一種溫標。它是18世紀瑞典天文學家攝爾修斯(Anders Celsius)提出來的。在1標準大氣壓下，他把水的沸點定為0℃，水的凝固點定為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(又叫百分溫標)。后人為了紀念攝爾修斯，用他的名字第一個字母“C”來表示。
　　在美國，人們采用華氏溫標。我們知道“華氏451”是紙燃燒的溫度，有時還聽說誰發燒到“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。最初，華氏溫標以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)，而以水沸點的溫度為212℉，這就是華氏溫標。
　　由此可知，攝氏溫度和華氏溫度的思路完全一樣，只是0點不同，刻度大小也不一樣。就溫度范圍來說，攝氏溫標1度等于華氏溫標9/5度，而0℃相當于32℉，所以把華氏度減去32，再乘以5/9就得出攝氏度。利用這個換算公式，可以知道“華氏451”等于233℃；而“102華氏度”相當于39℃，發燒到這個溫度還死不了人。
　　3 寒冷 溫度有條“底線”
　　有了溫度計，人們可以更深入、更準確地研究熱。最初，科學家們認為熱是一種單獨存在的物質。這個理論被稱為“熱質說”。這種說法把傳熱過程看作是“熱質”的流動過程，并且產生了“熱質守恒定律”。這種學說沒法解釋摩擦生熱，所以一直受到挑戰。1798年，英國物理學家倫福德通過摩擦生熱的實驗提出熱是物質的一種運動形式。1799年，英國科學家戴維的冰摩擦生水的實驗更推翻了熱質說。
　　現在，科學家已經確認熱不是一種單獨的物質，而是物質內粒子無規則運動造成的現象，而溫度正是度量這種無規則運動強度的方法。所以，我們可以這樣粗略地理解溫度：溫度高就說明物質內粒子無規則運動速度大，反之說明物質內無規則運動速度小。實際上，物質內粒子的運動速度并不相同，溫度是“粒子運動激烈程度(動能)平均值的一個指標”。它是一個相當不容易理解的概念。
　　根據溫度的定義，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”。因為在此溫度下物體的粒子還在做著相當激烈的運動。那么，溫度有沒有最低值呢？科學家認為，這個最低溫度確實存在，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，因為只要有物質，多少會受到周圍輻射等因素的作用而產生粒子的運動。宇宙中最冷的天體“布莫讓星云”(Boomerang Nebula)的溫度是-272℃。同時，根據熱力學第三定律，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。現在，科學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，未必熱
　　定義了零度，我們就可以定義更高的溫度。水銀溫度計根據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都沒法用了。不過，不用接觸傳熱科學家們也能測溫。基于溫度和能量的關系，科學家可以計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。
　　美國科學家已經在相對論重子對撞機中制造出了4萬億度的高溫，這個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，這個數據是通過參與碰撞的粒子的能量算出來的，當然也可以觀測到一些和這個溫度相關的現象，比如電磁輻射。
　　但是新的問題又出現了，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？這就牽扯到一個重要的科學事實：溫度和我們感受到的熱是兩回事！當我們泡溫泉的時候，水溫達到50℃就覺得燙得不行了，可蒸桑拿的時候，桑拿房的室溫達到80℃我們也不會被燙傷。這是因為溫泉里水分子的密度比蒸拿房里的氣體分子密度高得多。它能夠把更多的熱量(也就是粒子的動能)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RXJ1347.51145星系，其內部存在溫度高達3億℃的氣體，但是假如我們置身其中，卻根本就不會感到熱！因為那些氣體的密度非常低，每一立方厘米大約只有0.0001到0.01個原子(或離子)。同樣的道理，對撞機里的高溫也不會熔化管子，因為對撞機里的物質是很少的。
　　溫度的世界有很多讓人費解的地方，中科院物理研究所研究員曹則賢在接受本報記者采訪時強調，在日常生活中我們所說的“溫度”往往和科學定義區別很大，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“我們在說溫度的時候都在說些什么”，還需要查閱專業教科書。
    新京報
　　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科學世界》