Winter is coming

最近天气越来越冷，变黄的树叶欶欶的落下，人们身上的衣服也越来越厚，冬日正在降临...

在我国领土的最北端漠河，冬天最低温度可达零下50-60度。大多数人知道，水的冰点是0℃(以下温度凡未说明都以摄氏度计)，比人的体温低37度。当飞机在8,000米高空飞行时，高空的气温低达零下80多度；而地球南极的冬天气温可低达零下90度。在太空，远离太阳，接收太阳光的热愈少，则温度愈低。月球背阳面的温度为零下160多度，而冥王星温度是零下229度。在远离恒星的辽阔无际的超冷区域，大体温度是零下270度。

在夏天奔泻呼啸的黄河到冬天可以走汽车；人们天天呼吸的空气到零下196度都会变成液体，如果进一步降温到零下217度，则空气也冻成了坚硬的固体。总之，随着温度降低，人们生存必需的氧气，用于电弧焊接保护的氩气，占空气77%的氮气，充霓虹灯的氖气和充灌气球的氢气都相继液化和冻结。氦气是最后被液化的气体，在大气中氦气含量不到百万分之一，原先只在太阳光谱中发现氦的谱线，后来在铀矿和天然气中发现地球上也有，由于它的液化温度低，直到20世纪初才被液化，液氦在大气压下无论如何降温也不冻结成固体，只有在25大气压以上才会凝结成固体。

在超低温条件下，物质的特性会出现奇妙的变化：空气变成了液体或固体；生物细胞或组织可以长期贮存而不死亡；导体的电阻消失了——超导电现象而磁力线不能穿过超导体——完全抗磁现象；液体氦的黏滞性几乎为零——超流现象，而导热性能比高纯铜还好。

由上面的叙述可见，随着温度降低，室温时的气态物质可以转化成液态、固态。如果升高温度(数百万度)，气态可以转化为等离子态，所有原子和分子游离成带电的电子和正离子，人们称等离子态为物质的第四态。一些金属、合金、金属间化合物和氧化物，当温度低于临界温度时出现超导电性(即零电阻现象)和完全抗磁性(把磁力线完全排除出体外现象)。液氦温度低于零下271度时还出现超流现象，液体的黏滞度几乎为零，杯子内的液氦会沿器壁爬到杯子下面，液体的传热系数比铜还好。上述两种现象可称为超导态和超流态，人们把超导态和超流态称为物质的第五态。


     人们司空见惯的电冰箱、空调器和超市中的速冻食品与生活密切相关。依靠人工制冰技术，人们在炎热的盛夏可以享受溜冰运动的乐趣。在医院里可以用零下几十度的冷刀切除人皮肤上的疣子，由于血液冻结，可以避免大量流血；低温麻醉术可以避免一般药物麻醉对人体的伤害。在现代化大医院中，检查人体软组织病变的核磁共振成象仪(见图2)对于诊断早期癌症十分有效，避免了传统的开刀切片检查的痛苦。这种核磁成象仪需要有效孔径比人体大的大体积5,000-15,000高斯高稳定度的均匀磁场，用超导磁体产生，其运行温度是4.2K，用液氦冷却。缺氧病人用的氧气源是液态氧，由空气液化后进行氧氮分离而制备获得的。在大城市的夜晚，人们看到的五光十色的霓虹灯中所充的稀有气体(氖、氩、氪、氦等)都是在空气液化后分离制备的。汽油或柴油作为汽车燃料对环境污染比较严重，天然气是比较清洁的燃料，采用液化天然气比压缩天然气使汽车携带更多燃料，天然气的液化温度是零下162度。也有人认为使用液氢作为汽车燃料是最清洁的，在德国已经开始试用(见图3)。在城市地下交通建设中，为避免在建筑物下挖掘地铁隧道而引起塌方，可将隧道周围的土层进行冻结。

    那么低温是否有尽头？对此问题英国科学家开尔文在1848年已做了回答，从理想气体的压力、体积与温度的关系式，他推论绝对温标的0度是低温的尽头。所谓绝对0度，即摄氏零下273.15度（记为0 K，绝对温度=摄氏温度+273.1），正如理论上所说它是分子运动完全停止的温度。在自然界，运动是物质存在的形式，运动是物质的固有属性，要物质的热运动完全停止是办不到的，但人们可以不断地接近绝对零度。有报道说，最低的温度记录是3.3´ 10-8K。