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三驾马车

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日志

 
 

【引用】叶永烈:奇妙的超低温世界  

2016-02-29 14:45:37|  分类: 美文转载 |  标签: |举报 |字号 订阅

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奇妙的超低温世界

 

叶永烈

 

冰雪不足以言冷

从前,人们常用“冰冷”两字来形容冷,以为冰是最冷的东西。自从人们发明了温度计以后,很快就知道冰雪不足以言冷,它的温度只不过O℃,世界上比冰更冷的东西多着呢!

在地球上,最冷的地方要算是北极和南极。在南极,最低气温达到-90℃。这还不算最冷。在月亮背着太阳的一面,最冷要冷到—160℃,真是一个名副其实的“广寒宫”。至于远离太阳的海王星,那就更冷了,温度低到-229℃。但是,海王星也不算最冷。有人以为,热可以高达几千、几万甚至几千万摄氏度,冷也可以低至零下几千、几万甚至几千万摄氏度。然而,尽管人们在实验室里获得了比海王星上更低的温度,却一直无法获得零下三四百摄氏度的低温。

后来,人们从理论上进行推算,才知道冷不像热那样可以无限发展。冷有一个极限——最低的温度是-27316℃,叫做“绝对零度”。世界上不可能再有比绝对零度更低的温度。

如今,人们在实验室里,已获得离绝对零度只差1500 000℃的超低温!然而,人们尽管已经十分逼近绝对零度,却仍无法到达绝对零度。

 

奇妙的现象

随着温度的不断降低,出现了许多奇妙的现象。

在零下190多摄氏度,空气竟变成了浅蓝色的液体,叫做“液态空气”。鲜花在液态空气中浸一下,就变得像玻璃一样脆,一摆动,便叮当叮当直响。鸡蛋、石蜡等在液态空气里,会像萤火虫似地射出荧光。鸡蛋射出的荧光是浅蓝色的,石蜡射出的荧光是浅绿色的。在零下一二百摄氏度,就叫超低温。

金属在超低温世界中,也变得面目全非:水银在常温下,是闪耀着银光的液体。可是,如果你把水银温度计伸进液态空气,水银柱一下子就冻得像一根大头针似的!铅平常是软绵绵的,要直就直,要弯就弯,非常“听话”,可是在超低温世界里,铅变得非常“倔强”,富有弹性,你一松手它就弹回去,恢复原状。一个铃铛如果用铅做的话,在常温下摇起来像个闷葫芦,但是用液态空气浸过以后,摇起来却发出银铃般清脆的响声!锡跟铅恰恰相反,一把好端端的锡壶,在超低温下会碎成煤灰似的一团粉末。例外的是铜,它在超低温下仍像常温时那样保持很好的韧性和机械强度,所以好多超低温设备常常用铜来做。

奇怪的是,氦本是一种无色无味的惰性气体,在超低温下会变成五色液体,而这种液体竟是会“爬”的液体!比如,你把一个小杯放在大杯中,小杯里盛着液态氦,当温度降低到-27096℃以下时,小杯里的液态氦会自动沿着杯壁“爬”出去,流到大杯中,直到大、小杯里的液面相平为止!液态氦的这种怪脾气,叫做“超流现象”。超流现象已引起许多科学家的注意,但目前还没有一种理论能够正确地解释这种现象。

 

没有电阻的导线

1911年,荷兰低温物理学家卡曼林·昂尼斯还发现一种奇特的现象:把水银的温度不断降低,使它冻成固体,当温度降到—269℃时,它的电阻突然消失了!这种奇特的现象,叫做“超导现象”。

不久,又有人发现,铅在超低温下,电阻也会消失。人们做了这样一个有趣的实验:用金属铅做成圆环,放在接近绝对零度的超低温中,这时,金属铅的电阻就消失了。人们在金属环上通了电流,然后截断电流,把整套仪器封闭起来。经过两年半以后,人们再把仪器打开,发现金属环里的电流仍在流动,电流强度没有明显的减弱!

现在,人们发现,不只是水银、铅具有超导性能,而且铌、锌、铝、钽、锂、锡等23种纯金属与60多种合金,在超低温时也都具有超导性能。其中最为突出的是铌,它在-26394℃就显示了超导性能,比其他纯金属、合金显示超导性能的温度高。

超导现象的发现,引起子科学家们的关注。如今,他们正在努力寻找一种金属或合金,使它在室温或稍低于室温的温度下,就能显示出超导现象。如果能够找到这种金属或合金的话,那将引起电力工业上的一场划时代的革命。据统计,现在世界上的电能,大约有14损耗在输电线路上。一旦制成没有电阻的导线,那就相当于使全世界的发电量增加了141有人认为,即使找到一种金属,在-200℃左右显示超导现象,只要采取一定的绝热措施,这种导线便可在电力工业中得到应用。

人们还利用超导现象,制成小巧玲珑的“冷子管”。冷子管的构造很简单,它是由两根彼此绝缘并互相交叉的不同金属丝,浸在液态氦中做成的。这两种不同的金属丝,一种是钽,一种是镎。冷子管比电子管小得多,比半导体晶体管还小,可用作电子计算机元件。冷子管用电很省,100万个冷子管每小时只消耗半瓦电。冷子管非常灵敏,人们用它可以测量从遥远星球射来的很微弱的光线。利用超导现象,还可以制成微波放大器。这种放大器是现在世界上最灵敏的放大器,可以避免分子热骚动而带来的杂音,使微波得到有效的放大。

 

广泛的应用

在钢铁工业上,人们开始用超低温处理钢铁制品。经过处理后,钢的强度可以提高一倍半,铁的强度可以提高两倍。

在农业上,人们利用超低温来锻炼种子,增强它们的耐寒本领。在国外,农业科学家利用逐渐降低温度的办法,把醋栗的种子进行低温处理。他们每天把温度降低10℃,从室温慢慢下降到零下200多摄氏度,结果使本来在零下十几摄氏度就会冻死的醋栗种子,锻炼成能够经受住零下200多摄氏度超低温的考验。由于采用这种办法锻炼种子,许多果树和庄稼的耐寒本领大大增强。

目前超低温技术最主要是应用在液态空气工业上。人们把空气温度降低到超低温,一加压力,便变成水——样的液态空气。然后,慢慢蒸发液态空气,进行分馏,可以把空气中各种不同气体分开,制得纯净的氧气、氮气、二氧化碳、氦气、氖气、氩气等。

在医学上,人们利用超低温技术,保存一些贵重药品,防止变质。最近几年,我国试制成功一种“冷刀”。这种刀是空心的,里面不断流过液态氮或液态空气。用冷刀开刀,可起麻醉、止血作用,能够减少病人的痛苦。

在宇宙航行中,宇宙飞船或人造卫星将会遇到零下200多摄氏度的超低温。因此,使用的材料事先都要用超低温进行检验,合格后才允许上天。

在科学研究中,超低温也是人们很重要的助手。像物理学上著名的“宇称守恒定律山,’被推翻,就是以-270T的超低温实验结果作为依据的。

 

诱人的幻想

有趣的是,科学家们正在研究生物在超低温时的“生命冷藏”问题。生物学家们曾拿金鱼做了一个实验:把金鱼用镊子从水里夹出来,等它表面稍微干一些以后,就把它头朝下插进液态空气里。金鱼立即冻得硬邦邦了。但是,经过10-15秒钟以后,再放回温水,金鱼竟然复活,摆动着它那轻纱般的尾巴,悠然自得地游来游去。金鱼这种复活现象,引起人们极大的兴趣。

使人感到奇怪的是,如果让金鱼的温度慢慢降低,降到零下100多摄氏度,它就再也无法复活,而快速地让它降低温度,却能够复活。

生物学家们经过研究,发现在慢慢冷却时,细胞中的水分结成冰。由于水的体积在4cC时最小,所以结冰时水的体积膨胀,使细胞胀裂、死亡。可是,在快速冷却时,细胞中的水分很快结成冰,来不及膨胀,细胞没有受到破坏。

目前,人们正在探索着其中的奥秘,以便寻找一种延长动物和人的寿命的办法。比如,一下子把人或动物冷冻起来,使他们的生命暂时凝固。过了若干年,再升高温度,让他们复活,于是使他们能活更长的时间。有人设想,当试验成功之后,把它用于宇宙航行。这是因为星球与星球之间的距离,往往非常遥远。从地球上坐宇宙飞船飞到某些遥远的星球,要上百年、上千年以至上万年。坐着宇宙飞船到那么遥远的星球上去考察,人的生命是不够用的。科学家们想,当宇宙火箭起飞之后,就把宇宙飞行员用超低温设备迅速冷冻起来。当快到那个星球时,把温度升高,使人复活。当他完成考察任务之后,在返回地球途中,又用超低温冷冻。回到地球时,再重新复活。这么一来,人的生命就够用了。超低温世界,是一个奇妙的世界。人们探索不已,正在不断探寻着超低温世界的奥秘。

 

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