科学史上的奇迹，"无限套娃“挑战绝对零度，到底是怎么做到的?
导语：
近代科学刚起步时就很科幻，科学家往往用最朴素的手法，得出颠覆性的结论。就像今年看《流浪地球》，明年就告诉你地球真的要流浪一样。
17世纪时，物理学家阿蒙顿提出了低温极限在负240度的理论。可这在在现实中根本不存在，科学界纷纷质疑，同行更觉得阿蒙顿失了物理学界的脸面。
没想到的是，多年后，科学家竟通过“土法制冰”大力出奇迹，造出了比负240度还要低的温度，这一发现瞬间震惊了物理界。
那么他们是如何实现的呢？严谨的科学实验允许大力出奇迹吗？“土法制冰”又是什么呢？
阿蒙顿的奇思妙想纪尧姆·阿蒙顿是一位物理学家，他生活在18世纪的法国。在研究摩擦力的过程中，阿蒙顿有了个新发现：气体的温度总是在随着气压的变化而变化。
为了验证自己的发现，阿蒙顿用水银改造了个温度计，然后把温度计放在水中，观察其变化。
最后他惊奇的发现，空气的体积越大的时候，温度也会随着变化升高，水结冰时温度计上的刻度为51，水沸腾时为温度计的刻度为73。
一番换算之后， 阿蒙顿得出了一个重大结论，那就是当空气的压力和相应体积同时为零的时候，通俗点说就是温度计上的刻度是0度时（推算出约为-240度），就不会再继续冷却。
于是阿蒙顿提出了低温极限理论，认为最低温度是负240度。
阿蒙顿的这个大胆猜想和最终实验，揭开了有关绝对零度的研究大幕。
可惜的是，仅仅三年之后，阿蒙顿溘然长逝。而他刚刚打开的绝对零度大门，在后来的几十年里，因为无人探索，又慢慢被关上了。
至于原因，自然是没有得到科学界的认可，毕竟我们的现实生活中，哪里找得到那么低的温度。
直到1785年，另外一位法国的物理学家雅克·查尔斯（第一个氢气球的发明者），在一次偶然的气体的实验中，发现了气体在压强恒定时，体积和温度的变化是没有变化的，阿蒙顿的理论研究又被翻了出来。
在接下来的实验中，查尔斯发现，当体积处于一个恒定的状态下时，温度每降低1度，气体的压强也会随着变化，大约是降低它在0°C时压强的1/273。
雅克·查尔斯通过这个实验数据进行推算，当他计算到负273度时发现，压强竟然变成了零数值，这个时候处在了一个真空的状态下。
查尔斯的实验和阿蒙顿的实验一样，都是通过计算得出的，在现实中，或者说在当时的技术条件下，根本难以达到这个极限数值。
两人实验虽然取得了一些重大突破，当时并没有形成一个系统的有关绝对零度的实验数据，很多定义还处在一种推测的状态。
另外，由于当时技术条件的限制，绝对零度的温度值的变化一直不能实现，这也让物理界对他们提出的概念存疑。
一直到19世纪，远在英国的物理学家威廉·汤姆森，注意到了两人有关绝对零度的研究。
他站在了巨人的肩膀上，进行了一系列总结性实验，通过这些实验数据，他第一次正式的提出了绝对零度的概念:
当物体内能降低到零时候，分子的运动就会处在完全停止的状态，也就是现在出现在物理课本中的绝对温标。
汤姆森提出在绝对温标下确定的“绝对零度”相当于零下273.15℃。
44年后，物理学界为了纪念威廉·汤姆森的突出贡献，便把这个绝对温标命名为开尔文标尺，单位为K。
查尔斯的实验和阿蒙顿的实验以及汤姆森的总结性实验，为后来的热力学打开了一个全新的领域。
接下来的时间里，科学家不断对绝对零度发起挑战，并最终出现了奇迹。
“土法制冰”的三座大山实现绝对零度，实际上是对如何使气体液化的挑战。
当时的科学技术并不发达，许多学科都在萌芽或是未出现的阶段，物理学家们剑走偏锋，在科学实验中大力出奇迹，竟然想出了“土法制冰”的方法来挑战绝对零度。
第一个勇敢的挑战者是被称为实验物理大侠的迈克尔·法拉第，而且从某种意义上来说，法拉第比他们走的更远一些。
1845年，法拉第正在实验气体的气态和液态时候能够相互转换。他先是用水合氯醛的方法，获取了液态的氯气。
正当他准备做进一步实验的时候，结果发生了一些意外，他把液态的氯放到密封试管之后，试管产生了爆炸。
不过爆炸在法拉第看来，那是家常便饭，正当他准备收拾一番，重新进行实验的时候，他惊讶的发现，试管内的液态的氯竟然在爆炸的瞬间变成了气态。
误打误撞，有了这个灵感之后，法拉第对实验进行了升级，他通过初级的压缩和冰浴实验，尝试将各种气体进行液化，从而实现了气体的多种实现形式。
这个实验，也让他获得了现实存在的最低负130度的低温。
但是法拉第在实验中，也遇到了一些挫折，比如他在尝试中发现，有几种气体，不管怎样也没有办法进行液化，其中就有氧气、氢气、氮气三种气体。
受制于当时的条件和理论，法拉第认为竟然这三种气体无法液化，便把他们归类为无法压缩为液态的“永久性质气体”。
法拉第成功的将多种气体液化，又为绝对零度打开了一扇崭新大门，不过法拉第留下的三种所谓的“永久性质气体”也成为了攀登绝对零度高峰的三道难关。
后来的实验中，主要就是如何实现氧、氢、氮这三种气体的液化。
在法拉第的实验的二十年后，法国科学家卡耶泰在焦耳-汤姆孙效应的基础上，获得了负183度的液氧和负196度的液氮。
所谓焦耳-汤姆森效应，就是气体温度会随压强的变化而改变，这种现象在我们的生活中也普遍存在，比如在打火机的时候，如果不点燃打火机，而是单纯释放里面的液化气，不一会，你就会感到气口处有冷冰冰的感觉。
这样就只剩下被称为“古怪气体”的氢气还没有被攻克了。
当时科学界普遍估计，如果要见氢气液态，最少需要达到负250度以下，大家纷纷认为，以当时的条件和技术，想要达到这一温度非常的困难。
大力出奇迹的时候从阿蒙顿提出低温极限的理念以来，科学家们的每一次创造都是在突破之前的技术和条件。
研究“绝对零度”的科学家都有一股子倔强劲，他们相信技术是可以攻破的，如果没有攻破，那可能就是钱不够了。
苏格兰的物理学家詹姆斯·杜瓦正是其中之一，他想到了一个大力出奇迹的方法，那就是用套娃式的串联法来液化氢气。
先找到一种可以在常温下被压缩成液态的，然后再将这种气体进行放进气罐中进行加压膨胀，来进一步的获得低温。
待冷却之后，再把下一种在更低温才能液化的气体放入，循环往复的冷却，一步一步套娃，不断接近更低温的极限。
既然是套娃，那就意味着得有许多层，得实验许多气体，保存的成本也很高，这个实验在耗材和耗时上都非常的大，就像一只吞金兽一般，很快就把杜瓦的实验经费给吃完了。
杜瓦也没想到，自己一个物理学家，还要兼顾怎么搞钱。
为了实验，他豁出去了，他决定以气养气，开放自己的实验室，邀请当时的权贵们前来参观这些在当时看来还颇神奇魔幻的液化气体。
当然，参观需要门票，好在权贵们出手也大方，很快杜瓦就凑齐了继续研究的经费。
获得了资金支持后 ，杜瓦继续开始了“大力出奇迹”的实验。很快，他就得到了20立方厘米的液氢，温度达到了负205度。
于是杜瓦再将液态氢通入到膨胀管中，通过不断加压的方式，温度表上的刻度不断的下降，最终停止在了负252度。杜瓦用“大力出奇迹”的方法创造了一个新的纪录。
这也再次证明，只要敢做敢想，其他的都不算事。
没想到的第四座大山就在杜瓦实验的前后，氦气这一稀有气体被发现了。
随着对其研究的深入，人们发现氦的原子连接松散，因此，氦气也被称为“惰性气体”，这就使它成为最难液化的气体。
挑战绝对零度的三座大山，刚刚攀登下来，氦气的出现成为了绝对零度挑战的第四座大山。
杜瓦的实验，已经证明了只要敢想敢做，科学研究也可以大力出奇迹。
在前辈的“精神鼓励”下，来自荷兰的科学家昂内斯，决定建造了一座更大的实验室。用相同的方法，来实现氦气的液化。
通过不断的套娃式研究，昂内斯的团队最终制得了液氦，在测温的时候，昂内斯兴奋的发现，液氦竟然达到了负268.95℃。
在获得液氦不久之后，昂内斯惊奇的发现，当温度降至 4.2K （约零下269℃） 以下时，水银的电阻就会消失。
他意识到，在接近一个低温极限的时候，某些物质的分子热运动会接近于消失，并且出现电阻趋近为零的现象。
他把这种现象称为超导，而处于超导状态下的物质就是超导体。
这个发现对以后的高精密仪器的发展和量子计算机的跨越以及对撞机的应用起到了重大作用，昂内斯也因此获得了1913年的诺贝尔奖。
讲到这里，大家也许明白，其实科学家对绝对零度的挑战，至今还影响着我们生活的方方面面。如果没有这些科学家的努力，我们的生活或许会失掉许多色彩。
小到现在冰箱、空调乃至保温技术的的制造原理，大到超导体、量子计算、大型对撞机的研究，都离不开这些科学家对绝对零度的挑战，和其“大力奇迹”的“土法制冰”中所产生的的实验成果。
如今科学家通过新技术——激光冷却和蒸发冷却的方式，在挑战绝对零度中再次取得了新的突破，这一成果已经无限的接近理论上的绝对零度。
相信这一发现在未来，科学家对绝对零度的继续突破，也会给我们的生活带来更新的变化。
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参考资料：
刘霞. 追寻绝对零度的奇幻旅程[N]. 科技日报,2013-09-21(002).
徐泽智.绝对零度的探索[J]
张唯诚：进军“绝对零度”一场永无止境的竞赛. 科学前沿 2013.10