温度的极限

先将温度计放在嘴里含 7 分钟，再取出，温度读数为 98.6°F。要是感到身体不舒服，温度读数为 103°F 或 104°F。许多人都知道如果温度读数为 110°F，人会死去。读数为 90°F 时，人已死一段时间了。我们都知道体温的意义，也知道温度在天气预报中的意义。例如在 20°F 时，作户外运动就要穿上冬装；90°F，就得去海滨。我们很熟悉温度和日常生活关系密切。但是温度究竟是什么？20°F、90°F 乃至 9000°F 时的空气有何不同？

温度指冷热程度

温度是热和冷的测量单位，由分子的运动或动能确定。

永恒运动

所有的分子都在运动：正如在气体中分子向所有方向散开；在液体中， 粘在一起滑动；在固体中，固定在其位置上振动，这种运动产生热和温度。一组分子动能越大，温度就越高。即使是在物质少量取样中，分子的运动速度也不同，因此以一组分子的平均动能来定义温度。身体健康不发烧时， 体温为 98.6°F 左右。98.6°F 是什么意思？98.6 盎司约为 6 磅。98.6 英寸约为 8 英尺。那么 98.6°F 是多少？

英寸和英尺是距离的度量单位，盎司和磅是重量的度量单位，同样华氏度是温度的度量单位，称作华氏温标。荷兰裔德国物理学家丹尼尔·加布里埃尔·华伦海特于 1714 年率先推出精度的确很高的温度计。以往的温度计基于空气等气体或酒精或水等液体的膨胀和收缩，而华氏温度计使用了液体水银。事实证明，水银在许多方面优于其他物质。其一，在所有液体中，水银的膨胀率最均匀，而水随温度变化时其的膨胀尤为不均匀。其二，水银不如水那样容易结冰，不如酒精那样容易沸腾，在很宽的温度范围内都保持液态。其三，水和酒精会附在玻璃表面。水温度计或酒精温度计的温度下降时，一些液体附在玻璃上，下降缓慢，因此很难得出温度的精确读数。

华伦海特还发明了一种校准他所推出的温度计的温标。艾萨克·牛顿建议以水的凝固点、人的体温作为温度计的标定点，并将水的凝固点定为 0 度，华伦海特推出的温标基本上以它为基础。同时他还意识到这样一来， 冬天的温度将低于零度。为了尽量避免负温度，将盐加到水中以降低水的凝固点。他将盐水凝固温度定为 0 华氏度（即 0°F）。然后将 0 度到体温之间的间隔分成 96 等份（为什么这样划分无可奉告），将体温定为 96°F。根据这一温标，纯水的凝固点接近 32°F，沸点接近 212°F。

科学家进一步了解水的物理和化学特性后发现，纯水的凝固点和沸点很有参考价值。因此，华伦海特调整了温标，将凝固点正好定为 32°F， 沸点为 212°F，其间的间隔分成 180 等份。体温就调整为 98.6°F。

在美国，除科学界以外的其他领域主要采用华氏温标。其他许多国家

（即便是华氏温标的发源地英国）及那些国家的科学家都使用瑞典天文学

家安德·摄尔西乌斯于 1742 年发明的另一种温标。这种温标极其简单，它

将纯水的凝固点定为 0 度，沸点定为 100 度，将其间的间隔分成 100 等份

（奇怪的是，摄尔西乌斯先将凝固点定为 100 度，沸点为 0 度，但第二年就将两者倒了过来）。起先这种温标称为百分标，即分成“100 等份”， 在 1948 年之后大家达成一致，将其更名为摄氏温标（这两种温标的符号都是 C，因而在教科书中不必修改）。

图 1 对华氏温标和摄氏温标作了比较。

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另一种温标是法国物理学家列奥米尔于 1731 年发明的列氏温标，该温

标将水的凝固点计为 0 度，沸点计为 80 度。这种温标也曾持续使用了一段时间，但后来逐渐失去了影响，现在只是科学上的一段小插曲而已。

列奥米尔之后的一个多世纪之内温标并没有很大变化。看来找不出什么理由将水的凝固点和沸点之间的间隔分成其他等份。但是不久，物理界发现将水的凝固点作为温标的起点没有任何意义。

高温和低温的极限

数千年来人们都知道，物体受热膨胀，冷却时收缩（但水在一定温度时有例外，参见《奇妙的水分子》。温度变化时，固体和液体几乎不膨胀也不收缩，少量有变化的也因物质而异。例如，金属铝的膨胀比矿石石英快 77 倍。气体则并非如此。温度变化时，所有气体都随之发生明显的膨胀

和收缩，且变化率相同，是一般固体的 300 倍。

气体收缩率不变，也出现了一个有意思的问题。气体冷却时以恒定比率收缩会不会越缩越小，最终缩到物质消失？那时会出现什么现象？物质怎么能没有体积不占空间，而基本上消失呢？

法国化学家约瑟夫·路易斯·盖伊·勒萨克在 18 世纪末期提出了这个问题。①他取出一定体积的气体以 0℃为起始温度将其慢慢冷却并计录其体积的变化。气体温度每下降 1 度，体积减少 1/273。例如，他用 273 加仑的氧气从 0℃开始实验，温度降为-1℃时，体积减为 272 加仑；在-10℃时， 体积变为 263 加仑；在-50℃时，变成 223 加仑，依此类推。那么如果气体温度为-273℃，又怎样呢？体积会减为零吗？

不会。气体在冷却到一定程度时变成液体，收缩率大大下降。温度更低时，液体固化，收缩率进一步减少。因而体积永远不可能降为零。盖伊·勒萨克和其他人的研究导致了另一个有趣的问题：物体的冷却到底有无限度？

-273℃是一个令人感兴趣的值。物理学家开始将温度变化与分子动能而不是与体积变化相联系，他们推断，温度从 0℃开始每降低 1 度，实验中的氧气体积不仅减少 1/273，分子也失去了 1/273 的动能。在-273℃时， 分子不再运动，甚至在组成分子的原子中移动的电子也不运动，总动能为零。物理学家不会接受这种观点。如果电子不在原子内到处运动，由于两者间的相互吸引，就会被拉向原子核，原子就会崩溃。那么所有物质在-273

① 他没有将膨胀考虑进去，某种受约束的限定气体变热时无限膨胀，而宇宙中有足够的空间，很容易接收这个观点。

℃时都会崩溃。

但是，物质不会崩溃；因此，温度不可能达到-273℃。事实上存在的温度的下限，即使利用现代的先进技术，也绝不可能达到- 273℃（确切值为-273.16℃），将来也绝不可能达到。这是物理界“无法做到”的事之一。如果有朝一日做到这一点，将会出现十分奇特的现象。光速是另一个做不到的事（参见《一切事物都是相对的：狭义相对论》）。

不管能否做到，-273℃很快得到了很好的应用。1848 年，苏格兰物理学家威廉·汤姆森（后来提升为男爵，头衔开尔文勋爵）提出温标中的零点不应该是水的凝固点（摄氏温标）或 32 度（华氏温标），而应采用能存在的最低温度（水像酒精、苹果汁和巧克力奶油冻一样，仅仅是无数物质之一），这样才有意义。他将这个最低温度称为绝对零度，由此产生的温标称为绝对温标。通常也被称为开氏温标。

为了符合自己的使用目的，开尔文决定修改摄氏温标而不修改华氏温标。1 开（1K）和 1℃的值实际上相等①（今天温度比昨天高 10℃，同样也高出 10K）。唯一的区别是它们的起点，若开氏温标从 0 开始，那么摄氏温标从-273 开始（华氏温标从-460 开始）。

天文学和物理学等领域乐于采用开氏温标。表 1 对开氏温标和摄氏温标的公共值作了比较。

表 1 绝对温度

将摄氏温度变为开氏温度，加上 273 。

将开氏温度变为摄氏温度，减去 273 。

我们已经了解了温度的下限。是否有温度的上限？

460°F 到 11，000°F

（-273℃到 6000℃）

尽管我们无法达到绝对零度，但能够十分接近这个温度，仅仅高出十亿分之几度，这种温度下没有气体，也几乎没有液体。您呼吸的空气是块状的固态冰。在分子一级，一切物质都以极低的速度运动。

物体受热时，分子开始振动和摆动。许多分子挣脱束缚。熔解和沸腾下面还要谈到。压力对不同温度下物质的物理状态有一定的作用。物质的熔点和沸点通常指在常压下，或是海平面的标准大气压下。

在高于绝对零度 2 华氏度或 1 摄氏度下（现在，我们开始使用这两种常用温标），氦首先熔解；略高于这一温度（-452°F 或-269℃）就开始沸腾。接着是氢。氧排在第四位，在-361°F（-218℃）时熔解，-297°F

① 开氏温标的符号〔°〕通常省略。

（-183℃）时沸腾，温度再升高 168°F，就达到地球上的最低气温记录：

-129°F（-89℃）。这一气温于 1983 年在南极洲出现。最先熔化的金属为汞，在-38°F（-39℃）时熔解。冰在 32°F（0℃）时溶解。

我们现在来看温标的正值，温度稳步上升。1992 年，利比亚出现了地球上树荫下的最高温度 136°F（58℃）。但比 212°F（100℃）的沸水温度低得多。更比厨房火炉通常的 550°F（288℃）低。550°F 略高于纸张的燃点。雷·布拉德伯里撰写的《华氏 451 度》一书的书名源于纸张的燃点。书中讲到在未来沉闷的社会，政府为压制思想和言语自由而焚书。

炉内空气达不到将空气加热的火焰热度。标准火炉或炉顶燃烧器所用天然气（甲烷）火焰的温度超过 2000°F （1039℃）。这大体上是金和铜的熔点，汽车尾气的温度（汽车发动机的温度可达到 4500°F）。在这个温度下，受热物体将发出红光。

其他许多金属，如铁在 2795°F（1535℃）时熔解。熔点最高的金属是灯泡中发光的灯丝，金属钨。它在 6116°F（3380℃）时变为液体。唯有钻石在更高温度下才熔解，其熔点为 6400°F（3538℃）。费解的是， 钨的沸点为 10，700°F（5927℃），是所有物质中最高的，高于钻石的沸点。

在 7300°F（约 4000℃）的常压下根本没有固体存在。

温度还能更高。什么情况下出现这些超高温，在什么过程中出现？

11，000°F（约 6000℃）甚至更高

在地下 4000 英里的地球中心处的温度约为 12，000°F（6649℃）， 略高于太阳表面温度。地球中心处的材料主要是极高压下的固态金属铁和镍。高压产生高温，体积和质量更大的恒星将产生更大的内部压力，核心的温度更高，太阳系中体积最大、质量最大的木星（其质量大于其他 8 个

行星质量之和）的核心温度估计高达 3.6 万°F（约 2 万℃）。温度之高， 所有分子键都无法存在。存在的物质都由单原子和部分原子组成。

既然这时的温度已超过行星的温度，我们来看一下恒星。恒星的表面温度悬殊很大。体积较小的恒星其实温度不算高，约 5400°F（约 3000℃）。它们看上去呈红色。太阳的质量约为小恒星的 10 倍，是木星的 1000 倍，

因此其内部的压力和热量都很大。它的表面温度约为 10，000°F（约 5500

℃），发出黄光。太阳远不能和质量最大、最热的恒星相比。质量最大和温度最高的恒星的表面温度达到 20 万°F（约 11.1 万℃），发出蓝白光。

激光束的温度则是这个温度的 10 倍。

激光和恒星表面的温度远远比不上恒星中心的温度。即使是最小的恒星的核心温度也超过 1800 万°F（约 1000 万℃）。这是氢聚变的温度，氢

聚变是恒星有能量并发光的原因。太阳中心的温度约为 2700 万°F（1500 万℃），质量更大的恒星中心的温度更高。科学家在地球上用氢弹爆炸再现氢聚变反应。托卡马克实验核反应堆在受控实验室条件下可再现氢聚变

（不要将托卡马克热核反应装置与世界各国产生社会所需能量的核反应堆混为一谈，后者是裂变反应堆，根本不是实验反应堆，它采用完全不同的核反应过程，释放的能量不如实验核反应堆多）。托卡马克装置的内部温度能达到 7.2 亿°F（约 4 亿℃）。

还有温度更高的物质吗？有。恒星将氢用尽，开始死亡时，会出现失常行为。它们开始融合其他元素，核心处温度高达 25 亿°F（约 14 亿℃）。最重的恒星在意想不到的爆炸中结束生命，这个过程叫超新星。发生超新星现象时，其核心温度超过 410 亿°F（约 230 亿℃）。据报道，粒子加速

器中的温度超过 18000 亿°F（约 10000 亿℃）。

现在我们知道温度能达到数万亿度。温度有上限吗？物理学家认为既然有温度下限，肯定也存在上限。美国国家标准与技术研究所的约翰·黑斯蒂和大卫·邦内尔以及美国首都华盛顿的国际风险科学中心的琼·贝科威茨合著的《高温》一文中指出，自然界能达到的最大温度受可用能量开始生成物质的限制，估计能达到 2×1012K，即 3.6 万亿°F（约 2 万亿℃），比我们现在所知道的温度最高的物体还高一倍。

创世大爆炸也是例外。我们相信宇宙从创世大爆炸开始，当时的温度是无法想象的。按宇宙论者和天文物理学家计算，“大爆炸”的温度达到2×1032°F（将 2 改为 1，即为大致的摄氏度），任何温度都不会高于这个温度了。

（段斐然 译）