绝对零度为啥是-273.15℃？还有零有整的？

很多人都听说过绝对零度，还知道绝对零度等于-273.15摄氏度。你有没有想过，为什么是“-273.15”？这个有零有整的数字是怎么得到的？

另外，绝对零度是仅存在于理论中的，那么人类到目前为止能够达到的最低温度是多少？如何能达到接近绝对零度的极低温度？

作为一名制冷人，我想结合我的理解，来跟大家讨论讨论这几个“冷知识”。

绝对零度为啥是零下273.15℃？

要想搞明白绝对温度，我们首先需要明确什么是温度，以及怎样测量温度。

温度是描述冷热程度的基本物理量，也是微观粒子运动的宏观表现。同时，温度的计量主要利用不同温度下材料的性质变化，比如传统的温度计就是利用水银随体积随温度变化制成的。

温度计量的基准体系称为温标，例如华氏温标、摄氏温标和开尔文（绝对）温标等。在没有温度计的古代，人们认识到人体温度基本恒定，也是一种朴素的温度标准，并用于养蚕、发酵、诊断疾病等生产生活中对较高精度温度的控制。

生活中使用范围比较广的摄氏温标，是以水的冰点和沸点作为两个基准点，中间等百分比划分，每一份为1℃。摄氏温标的发明人是安德斯·摄尔修斯（Anders Celsius），他最初定义冰点为100℃、沸点0℃，主要是为了冬季温度数值不出现负数。卡尔·冯·林奈（Carl von Linné）根据实际使用习惯，将冰点和沸点分别修正为0℃和100℃。这说明，实际上摄氏温标是具有主观性的，它并没有触及温度的本质。

理论上讲，找到一个最低温度，将其定义为0，这样一来，任何低温都不会是负数了——这个最低温度就是绝对零度。首次提出绝对零度概念的科学家是法国物理学家纪尧姆·阿蒙东（Guillaume Amontons）。

阿蒙东通过空气温度计校准实验发现，“温度每降低一定值，空气压力也等比例降低”。由此推测，如果持续降低温度，空气压力将在某一有限温度下降至零。他估算的绝对零度为-240℃，此时气体压力将为零。

阿蒙东指出，“气体压力不可能为负值，因此必然存在一个最低温度，任何物质都无法冷却至该温度以下”。他开创了热学定量研究的先河，成为从自然哲学向近代热物理学过渡的关键节点。

从微观角度理解，在恒定压力下，气体的体积随着温度的降低而缩小，所以直观来看，当每个气体分子无限接近的时候，气体的体积就不可以压缩了，温度也就不可能降低了，这个温度就是绝对零度。通过在室温附近测量气体体积膨胀与温度的关系，将呈现出的线性关系进行外推，可以估算出绝对零度对应的摄氏度。

科学家经过精确测量得出，温度为0℃时，常见气体（如氮气、氦气等，在室温下可视为接近理想气体）的体膨胀系数为1/273.15——这表示在压强不变时，温度每升高1℃，其体积相对变化量约为0℃时体积的1/273.15。

由此反推得出，绝对零度对应-273.15℃。之所以出现小数，主要是因为摄氏温标以水的冰点和沸点作为两个点，进行百分比划分的缘故。

在人类首次提出“温度存在下限”科学猜想的150年后，开尔文勋爵（即威廉·汤姆森，William Thomson）受卡诺循环理论的启发，构想了一个理想的热机循环，并论证了其效率只取决于两个热源的“温度”，而与工质的性质无关。由此，他提出了一种不依赖任何物质特性的绝对温标的概念，即热力学温标。

这种温标定义下的零点，就是工作物质在卡诺循环中向冷源释放全部热量时的温度，即绝对零度。

为纪念开尔文的卓越贡献，这种以绝对零度为起点的温标被命名为开尔文温标，其单位就是“开尔文”，符号为K。开尔文温标与摄氏温标的刻度间隔是相同的，即1K的温度差等于1℃的温度差，它们的换算关系为：T(K) = t(℃) + 273.15。从此，0 K（绝对零度）就成为了物理学中一切温度测量的真正原点。

虽然绝对零度在理论上是无法达到的，但人类从未放弃对极限的追求。在历史上，工业对大量廉价氧的需要推动了零下200℃左右低温技术的发展，进而引发了向接近绝对零度不断挑战的研究。

2021年3月，德国科学家利用磁化约束铷原子气体云从122米高的不来梅大学落塔上落下（创造微重力环境），达到38pK (38×10-12K)的极寒温度，误差为-7或+6pK，整个过程持续2秒。这低于此前在实验室中创造过的所有低温条件，因此该团队将其称为 “宇宙中最冷的地方之一”。

作为对比，宇宙背景平均温度为2.725 K（-270.425 ℃）。目前人类观测到的宇宙中最冷的天然天体是距地球约5000光年的布莫让星云（Boomerang Nebula），温度低至 1 K（- 272 ℃）。

于2018年5月发射的美国冷原子实验室（Cold Atom Laboratory），目前报道的最低温是52 pK（±10pK）。在接近绝对零度时，原子几乎停止振动，达到一种称为玻色-爱因斯坦凝聚态的状态——物质的第五种状态。科学家通过测量BEC的温度，进而逼近绝对零度。在国际空间站冷原子实验室的微重力环境下，BEC可以存在更长的时间。

 美国国家航空航天局（NASA）的冷原子实验室（图片来源：NASA）

也许说有一个“最冷”并不妥切。温度的世界记录涉及科学、技术、工程等方面的复杂性、真实性、客观性以及相对统一的看法。

另外，从数据精度上，这些极低温均为间接测量，通过原子密度或速度分布，遵循玻尔兹曼定律反算出温度，所以在pK级温度下的误差或不确定度比较大，52 pK与38 pK大致处于同一区间。

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