關(guān)于作者
2004年畢業(yè)于北京師范大學(xué)物理系，2009年在中國(guó)科學(xué)院物理所獲得理學(xué)博士學(xué)位，同年起在中國(guó)科學(xué)院物理研究所工作至今。
[水煮物理]：春江水暖誰(shuí)人知
羅會(huì)仟
2010年10月27日
作者：羅會(huì)仟 中國(guó)科學(xué)院物理研究所
從宏觀上來(lái)說(shuō)溫度代表物體的冷熱程度，一塊材料是冷是熱可以從它的溫度是高是低來(lái)衡量；從微觀上來(lái)說(shuō)，溫度就是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，組成物質(zhì)的微觀分子實(shí)際上在平衡位置附近會(huì)不斷振動(dòng)，所有分子振動(dòng)的平均能量就和溫度有關(guān)。因此，溫度變化實(shí)際上和能量的轉(zhuǎn)移是分不開(kāi)的，這類(lèi)能量轉(zhuǎn)移我們可以稱(chēng)之為熱量。物質(zhì)之間的熱量傳遞會(huì)引起溫度的變化，但是如何表征溫度的高低呢？這就有必要確認(rèn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即取某一個(gè)物質(zhì)的溫度作為參考點(diǎn)，這樣就可以表示其他物質(zhì)的溫度了，由此成為溫標(biāo)。
熱力學(xué)第三定律指出，絕對(duì)零度是不能通過(guò)有限次降溫實(shí)現(xiàn)的，它只是一個(gè)可以無(wú)限逼近的理想值。人類(lèi)獲得低溫的方法有很多，諸如用氦氣減壓制冷可以達(dá)到1K左右，用He3和He4同位素進(jìn)行稀釋制冷可以達(dá)到mK（千分之一）量級(jí)，利用絕熱去磁技術(shù)可以達(dá)到千萬(wàn)分之一K，而用激光制冷可以達(dá)到十億分之一K。隨著溫度的一步步降低，許多奇妙的量子現(xiàn)象就會(huì)呈現(xiàn)。如超導(dǎo)（電阻消失、磁力線排出物體外）、超流（流體不呈現(xiàn)粘滯性，具有很好的熱導(dǎo)率）、玻色愛(ài)因斯坦凝聚（所有原子同時(shí)降到能量最低態(tài)）等等。
2.7K也即約-270 C 是我們宇宙現(xiàn)在的平均溫度，是宇宙大爆炸后殘留的微波背景輻射溫度；
-240 C是冥王星和海王星的溫度，因?yàn)樗鼈冸x太陽(yáng)很遠(yuǎn)，接收到得熱量也就很少；
-170 C，是生命存活的極限，只有大腸桿菌之類(lèi)的才能存活。當(dāng)然有一種更為牛的水熊蟲(chóng)，居然能在太空中（-270 C ）凍幾個(gè)小時(shí)還能存活！
-130 C是地球上出現(xiàn)的最低氣溫，在南極的最高峰——文生峰頂；
-50 C是中國(guó)境內(nèi)出現(xiàn)的最低氣溫，在黑龍江漠河；
-10 C是人類(lèi)能夠長(zhǎng)期正常生活的溫度；
0 C 是水的冰點(diǎn)（固液線）；
30 C是蚊子最適宜的溫度，溫度太高了它會(huì)熱死，太低了會(huì)停止繁殖，所以殺死蚊子的辦法要么是熱死它，要么就凍死它吧！
40 C是人類(lèi)體溫的極限，如果連續(xù)幾天高燒40 C以上，那基本上就要掛了；
90 C海底火山微生物生活的環(huán)境溫度，它們能在幾乎是沸水中活著，真了不起！
800 C是火山熔巖的溫度，地球內(nèi)部是一個(gè)炙熱的地方！
6000 C是太陽(yáng)表面的溫度，太陽(yáng)是一個(gè)巨大的核聚變反應(yīng)球，溫度高是必然的；
8000 C是牛郎星的溫度，太陽(yáng)熱也比不過(guò)牛郎的心熱啊，而織女星要在10000 C左右，真是一對(duì)“熱戀”的情人！
十萬(wàn)攝氏度是星云的溫度，超新星爆發(fā)時(shí)候會(huì)拋出大量星云物質(zhì)，死也死的壯烈！
一千萬(wàn)攝氏度是中子星表面，這是密度最大的星球，一個(gè)芝麻粒大小估計(jì)就得萬(wàn)噸貨輪才運(yùn)的動(dòng)！
一億攝氏度，這是人類(lèi)創(chuàng)造的最高溫記錄，在普林斯頓大學(xué)的核聚變反應(yīng)堆中實(shí)現(xiàn)的。
十億攝氏度以上，這么高溫度目前只有一種時(shí)期可以實(shí)現(xiàn)——宇宙大爆炸的時(shí)候，大爆炸之后3秒左右時(shí)間降到了這個(gè)溫度，至于大爆炸附近的溫度，那簡(jiǎn)直是要多高有多高……
楊明義《春江水暖》
“竹外桃花三兩枝，春江水暖鴨先知?！碧K東坡膾炙人口的詩(shī)詞告訴我們：要知道水的冷暖，唯有自己親自感受一把，鴨子嬉水固然就為“先知”了。又若“如魚(yú)飲水、冷暖自知”以及“乍暖還寒時(shí)候，最難將息”，可見(jiàn)古人對(duì)于冷暖的概念大都來(lái)自于感官信息。事實(shí)上，觸覺(jué)感知溫度往往是不準(zhǔn)確的，觸覺(jué)只有對(duì)溫差是比較敏感的。假如你剛剛洗個(gè)熱水澡就把你扔到春江里去，肯定還是得凍個(gè)半死，水暖就無(wú)從談起了。要對(duì)物質(zhì)冷熱程度進(jìn)行度量，需要有明確的物理量，它就是溫度。從宏觀上來(lái)說(shuō)溫度代表物體的冷熱程度，一塊材料是冷是熱可以從它的溫度是高是低來(lái)衡量；從微觀上來(lái)說(shuō)，溫度就是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，組成物質(zhì)的微觀分子實(shí)際上在平衡位置附近會(huì)不斷振動(dòng)，所有分子振動(dòng)的平均能量就和溫度有關(guān)。因此，溫度變化實(shí)際上和能量的轉(zhuǎn)移是分不開(kāi)的，這類(lèi)能量轉(zhuǎn)移我們可以稱(chēng)之為熱量。物質(zhì)之間的熱量傳遞會(huì)引起溫度的變化，但是如何表征溫度的高低呢？這就有必要確認(rèn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即取某一個(gè)物質(zhì)的溫度作為參考點(diǎn)，這樣就可以表示其他物質(zhì)的溫度了，由此成為溫標(biāo)。
溫度計(jì)
最早的溫標(biāo)是Fahrenheit在1714年制定的華氏溫標(biāo)，他取氯化銨和冰水混合物的溫度為零度，人體溫度為100度，把水銀的膨脹體積在此之間分成100等份，每一份就是1 F。而Celsuis在1740年則取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的冰水混合物為零度，水的沸點(diǎn)為100度，定出了攝氏溫標(biāo) C。隨著參考點(diǎn)和分度法的不同，不同的溫標(biāo)下面對(duì)于同一個(gè)客觀溫度可以有不同的數(shù)值，這是非常令人煩惱的事情。此外，一般來(lái)說(shuō)測(cè)定溫度必須采用溫度計(jì)，水銀、酒精、石油等液體溫度計(jì)是以測(cè)溫物質(zhì)膨脹體積和溫度關(guān)系衡量的，氣體溫度計(jì)可以根據(jù)氣體壓強(qiáng)和溫度關(guān)系，金屬溫度計(jì)是根據(jù)金屬電阻和溫度的關(guān)系，電偶溫度計(jì)是根據(jù)熱電勢(shì)差和溫度的關(guān)系，無(wú)論采取任何測(cè)溫物質(zhì)，測(cè)得的溫度實(shí)際上都是在假設(shè)除測(cè)溫屬性隨溫度變化以外其他屬性不變的情況下獲得的。這樣的話(huà)，這些依賴(lài)于測(cè)溫屬性的溫標(biāo)必然會(huì)依賴(lài)于測(cè)溫物質(zhì)，于是任何溫度計(jì)似乎都難以測(cè)得物體的真正溫度。
Celsuis 和 Kelvin
為解決溫標(biāo)的混亂局面，Kelvin根據(jù)熱力學(xué)第二定律提出，可以根據(jù)卡諾循環(huán)的熱量作為測(cè)定溫度的工具，把熱量作為溫度的唯一量度，就可以建立不依賴(lài)于任何測(cè)溫物質(zhì)的溫標(biāo)——開(kāi)氏溫標(biāo)，亦稱(chēng)熱力學(xué)溫標(biāo)。在熱力學(xué)溫標(biāo)中，定義水的三相（氣、液、固）點(diǎn)為273.16K，對(duì)應(yīng)攝氏溫標(biāo)下一個(gè)大氣壓下水固液線為273.15K（注意和前者有0.01度的區(qū)別），也即0 C，這樣絕對(duì)零度0K就是-273.15 C。
奇妙的量子世界
絕對(duì)零度是個(gè)什么概念？溫度為零的時(shí)候，就是說(shuō)物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)不存在，分子被完全“凍”住了。有人想會(huì)不會(huì)就是“整個(gè)世界都徹底清凈了”？量子力學(xué)告訴我們不是如此。微觀粒子即使在絕對(duì)零度下沒(méi)有了熱運(yùn)動(dòng)，但還是存在量子漲落和量子相變等量子過(guò)程，并非絕對(duì)的“靜止不動(dòng)”。如前所述，溫度和熱量傳遞密切相關(guān)，和微觀粒子熱振動(dòng)的能量密切相關(guān)，若簡(jiǎn)單言之，溫度實(shí)際上就代表了能量的一種形式——熱能。那么處于絕對(duì)零度下的微觀粒子態(tài)系統(tǒng)，就是熱能的最低態(tài)，在量子力學(xué)中叫做基態(tài)。微觀粒子系統(tǒng)的基態(tài)是多種多樣了，顯示出量子世界的復(fù)雜性。關(guān)于奇妙的量子世界，《水煮物理》的后半部分將會(huì)逐一為您揭示，此處暫且略過(guò)。熱力學(xué)第三定律指出，絕對(duì)零度是不能通過(guò)有限次降溫實(shí)現(xiàn)的，它只是一個(gè)可以無(wú)限逼近的理想值。人類(lèi)獲得低溫的方法有很多，諸如用氦氣減壓制冷可以達(dá)到1K左右，用He3和He4同位素進(jìn)行稀釋制冷可以達(dá)到mK（千分之一）量級(jí)，利用絕熱去磁技術(shù)可以達(dá)到千萬(wàn)分之一K，而用激光制冷可以達(dá)到十億分之一K。隨著溫度的一步步降低，許多奇妙的量子現(xiàn)象就會(huì)呈現(xiàn)。如超導(dǎo)（電阻消失、磁力線排出物體外）、超流（流體不呈現(xiàn)粘滯性，具有很好的熱導(dǎo)率）、玻色愛(ài)因斯坦凝聚（所有原子同時(shí)降到能量最低態(tài)）等等。
液氦超流與堿金屬原子的玻色愛(ài)因斯坦凝聚——低溫下神奇的量子現(xiàn)象
從低溫到高溫的物理世界是非常豐富多彩的，在文章的最后我們就舉例來(lái)見(jiàn)識(shí)一下：2.7K也即約-270 C 是我們宇宙現(xiàn)在的平均溫度，是宇宙大爆炸后殘留的微波背景輻射溫度；
-240 C是冥王星和海王星的溫度，因?yàn)樗鼈冸x太陽(yáng)很遠(yuǎn)，接收到得熱量也就很少；
-170 C，是生命存活的極限，只有大腸桿菌之類(lèi)的才能存活。當(dāng)然有一種更為牛的水熊蟲(chóng)，居然能在太空中（-270 C ）凍幾個(gè)小時(shí)還能存活！
-130 C是地球上出現(xiàn)的最低氣溫，在南極的最高峰——文生峰頂；
-50 C是中國(guó)境內(nèi)出現(xiàn)的最低氣溫，在黑龍江漠河；
-10 C是人類(lèi)能夠長(zhǎng)期正常生活的溫度；
0 C 是水的冰點(diǎn)（固液線）；
30 C是蚊子最適宜的溫度，溫度太高了它會(huì)熱死，太低了會(huì)停止繁殖，所以殺死蚊子的辦法要么是熱死它，要么就凍死它吧！
40 C是人類(lèi)體溫的極限，如果連續(xù)幾天高燒40 C以上，那基本上就要掛了；
90 C海底火山微生物生活的環(huán)境溫度，它們能在幾乎是沸水中活著，真了不起！
800 C是火山熔巖的溫度，地球內(nèi)部是一個(gè)炙熱的地方！
6000 C是太陽(yáng)表面的溫度，太陽(yáng)是一個(gè)巨大的核聚變反應(yīng)球，溫度高是必然的；
8000 C是牛郎星的溫度，太陽(yáng)熱也比不過(guò)牛郎的心熱啊，而織女星要在10000 C左右，真是一對(duì)“熱戀”的情人！
十萬(wàn)攝氏度是星云的溫度，超新星爆發(fā)時(shí)候會(huì)拋出大量星云物質(zhì)，死也死的壯烈！
一千萬(wàn)攝氏度是中子星表面，這是密度最大的星球，一個(gè)芝麻粒大小估計(jì)就得萬(wàn)噸貨輪才運(yùn)的動(dòng)！
一億攝氏度，這是人類(lèi)創(chuàng)造的最高溫記錄，在普林斯頓大學(xué)的核聚變反應(yīng)堆中實(shí)現(xiàn)的。
十億攝氏度以上，這么高溫度目前只有一種時(shí)期可以實(shí)現(xiàn)——宇宙大爆炸的時(shí)候，大爆炸之后3秒左右時(shí)間降到了這個(gè)溫度，至于大爆炸附近的溫度，那簡(jiǎn)直是要多高有多高……
宇宙大爆炸到現(xiàn)在的宇宙是一個(gè)從熱到冷的降溫過(guò)程