举个栗子:温度究竟是什么?

温度究竟是什么?的头图

科学家开展了一系列研究,希望重新定义温度,把温度和能量联系起来。

已知宇宙范围内最准确的温度计,看起来却压根不像是一个温度计。它是一个铜质容器,外形像个大哈密瓜,里面充满着高纯氩气,表面上还插满了麦克风和微波天线。不过,位于英国国立物理研究所(National Physical Laboratory,NPL)里的这台设备,其目的并不仅仅是测量温度。这台设备,以及其他一些类似装置,或许能让科学家彻底搞清楚,温度究竟是什么,并根据基本物理理论对温度进行重新定义。

科学家正在进行上述研究,而研究的出发点,是温度和能量能通过物理常数相联系。目前,国际标准温度单位——开尔文,是来源于水的特性,但科学家希望它能和其他测量单位一样,从宏观世界的不稳定性中解放出来。领导这项研究的迈克尔?德波德斯塔(Michael de Podesta)说,目前,秒是由铯原子的振荡定义的,米则同真空中的光速相关,但“开尔文没有直接将温度和能量联系起来,这有些令人抓狂”。

英国国立物理研究所的这台设备能够测量波尔兹曼常数。通过该常数,可以将能量的改变同温度的变化联系起来。德波德斯塔的研究组,以及他们的竞争对手们都希望,能将该常数的精度提升到一定程度,从而让1开尔文的温度同一定焦耳的能量相对应。

当物理学家将特定频率的声音导入这台设备的麦克风时,这种新型温度计(从技术上来说是一部“声学谐振腔”)就会像钟一样鸣响。通过这种声学谐振,研究人员能够确定充满气体的空腔中的声速,进而得知氩气分子的平均速度,即它们的动能。今年7月,德波德斯塔领导的研究组在《计量学》(Metrologia)期刊上发表论文,报告了迄今为止对波尔兹曼常数最精确的测量。

目前的温度定义基于水的相变。其中一个关键临界点是所谓的“三相点”——273.16开尔文。在此温度下,水的固态(冰)、液态(水)和气态(水蒸气)能够共存。1954年,国际上统一规定,1开尔文等于从绝对零度到水的三相点之间温差的1/273.16。

在通常情况下,1954年制定的温度定义没有什么问题,但在处理极高温度的情况下(例如恒星上的温度时),该定义就开始失效了。“发生这种情况,是因为定义温度前,人们还不了解温度不过是原子和分子无规则运动,”德波德斯塔解释道,“现在,我们知道的更多,并且有机会来纠正这一点,我们就该着手去做。”

(原作者:Lee Billings;翻译?王栋)

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