揭秘温度：对撞机制造4万亿度高温为何未烧毁

2010年03月05日 08:52  新京报




最近，美国科学家制造出了4万亿度的高温，这个匪夷所思的数字让人很难把它和“北京夏天40摄氏度高温”联系起来。4万亿度的高温是如何“测”出来的，这样的温度意味着什么？温度确实是一个非常难以理解又引人入胜的话题，当我们说温度时我们在说些什么呢？
　
　1 建立 热力学，路漫漫
　
　从直观上来说，温度和人对冷热的感受有关。冷热是人类最容易直观地感觉到，但同时又最晚被理解的现象之一。从人类诞生之日，就已经注意到春暖冬寒，有些古人还试图从理论上解释冷热的原因，比如东汉的王充曾写道：“夫近水则寒，近火则温，远之渐微，何则？气之所加，远近有差也。”但是真正从科学上研究热的热力学还是1656年才出现的。当年，爱尔兰科学家波义尔和英格兰科学家胡克继续“马德堡半球”实验开创的气体真空研究，终于发现气体体积、压力和温度之间存在着复杂的关系。
　
　1714年，荷兰人华伦海特(Daniel Fahrenheit)改良水银温度计，定出华氏温标，建立了温度测量的一个共同的标准，使热学走上了实验科学的道路。1824年，法国科学家卡诺，第一个把热和动力联系起来，是热力学的真正的理论基础建立者。经过许多科学家两百年的努力，到1912年，能斯脱(Walther Hermann Nernst)提出热力学第三定律后，人们对热的本质才有了正确的认识，并逐步建立起热学的科学理论。

　　2 计量 温标是何物？
　
　热学的基础是温度，如果连温度计量标准都没有，那么我们今天的温度标准是怎么来的呢？

　　摄氏温度是目前世界使用比较广泛的一种温标。它是18世纪瑞典天文学家摄尔修斯(Anders Celsius)提出来的。在1标准大气压下，他把水的沸点定为0℃，水的凝固点定为100℃，其间分成100等分，1等分为摄氏1度。但是，在使用中，这种从低到高的排列从人们感到很不方便。第二年，摄尔修斯就把该温度表的刻度值颠倒过来使用。这种温度表被称为摄氏温标(又叫百分温标)。后人为了纪念摄尔修斯，用他的名字第一个字母“C”来表示。
　
　在美国，人们采用华氏温标。我们知道“华氏451”是纸燃烧的温度，有时还听说谁发烧到“102华氏度”这样的说法。那么，华氏度是怎么回事呢？
　
　华氏温标是1714年由荷兰人华伦海特制定的。在这一年，他制成了第一支玻璃水银温度计。最初，华氏温标以NH4Cl(氯化铵)和水的混合物的温度为0℉，而以人(他妻子)的体温为100℉(后来修正为96℉)。此后，改为冰水混合物为32℉(即冰点)，而以水沸点的温度为212℉，这就是华氏温标。
　
　由此可知，摄氏温度和华氏温度的思路完全一样，只是0点不同，刻度大小也不一样。就温度范围来说，摄氏温标1度等于华氏温标9/5度，而0℃相当于32℉，所以把华氏度减去32，再乘以5/9就得出摄氏度。利用这个换算公式，可以知道“华氏451”等于233℃；而“102华氏度”相当于39℃，发烧到这个温度还死不了人。
　
　3 寒冷 温度有条“底线”
　
　有了温度计，人们可以更深入、更准确地研究热。最初，科学家们认为热是一种单独存在的物质。这个理论被称为“热质说”。这种说法把传热过程看作是“热质”的流动过程，并且产生了“热质守恒定律”。这种学说没法解释摩擦生热，所以一直受到挑战。1798年，英国物理学家伦福德通过摩擦生热的实验提出热是物质的一种运动形式。1799年，英国科学家戴维的冰摩擦生水的实验更推翻了热质说。

　　现在，科学家已经确认热不是一种单独的物质，而是物质内粒子无规则运动造成的现象，而温度正是度量这种无规则运动强度的方法。所以，我们可以这样粗略地理解温度：温度高就说明物质内粒子无规则运动速度大，反之说明物质内无规则运动速度小。实际上，物质内粒子的运动速度并不相同，温度是“粒子运动激烈程度(动能)平均值的一个指标”。它是一个相当不容易理解的概念。
　
　根据温度的定义，无论是摄氏温度还是华氏温度，它们的“零度”都不是真正的“零度”。因为在此温度下物体的粒子还在做着相当激烈的运动。那么，温度有没有最低值呢？科学家认为，这个最低温度确实存在，被称为“绝对零度”，它等于-273.15℃。不过，宇宙中没有什么地方是绝对零度，因为只要有物质，多少会受到周围辐射等因素的作用而产生粒子的运动。宇宙中最冷的天体“布莫让星云”(Boomerang Nebula)的温度是-272℃。同时，根据热力学第三定律，热量只能从温度高的物体传到温度低的物体，要使物体降温到绝对零度，只能用低于这个温度的物体来吸取它的热量，这肯定是不可能的，所以人工也没法制造出绝对零度。现在，科学家只能制造出比绝对零度高出10-10摄氏度的低温。有“绝对零度”，就有“绝对温度”。绝对温度以绝对零度为零度，温度间隔和摄氏度一样，其单位是开尔文(K)，绝对温度等于摄氏温度加273.15。
　
　4 炽热 温度高，未必热
　
　定义了零度，我们就可以定义更高的温度。水银温度计根据汞热涨冷缩原理制成。它一般只能被用于测量150℃以下的温度。一旦超过2000℃，任何需要热传递的接触式温度计都没法用了。不过，不用接触传热科学家们也能测温。基于温度和能量的关系，科学家可以计算出不同温度放射出的电磁波波长。电磁波按照从长到短的不同波长来区分，依次是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线等。一般来说，波长越短的电磁波，携带的能量越高。因此，物体的温度越高，它所发出的电磁波中所包含的短波长成分也越多。所以，可以通过天文望远镜观察天体放射的电磁波，来了解它们的温度。用这种方法，我们可以知道太阳的中心温度大约是2000万度。

　　美国科学家已经在相对论重子对撞机中制造出了4万亿度的高温，这个温度是怎么测出来的呢？中科院理论物理研究所研究员李淼说，这个数据是通过参与碰撞的粒子的能量算出来的，当然也可以观测到一些和这个温度相关的现象，比如电磁辐射。
　
　但是新的问题又出现了，这4万亿度的高温是在加速器的管子里生成的，那管子还不全融化了啊？这就牵扯到一个重要的科学事实：温度和我们感受到的热是两回事！当我们泡温泉的时候，水温达到50℃就觉得烫得不行了，可蒸桑拿的时候，桑拿房的室温达到80℃我们也不会被烫伤。这是因为温泉里水分子的密度比蒸拿房里的气体分子密度高得多。它能够把更多的热量(也就是粒子的动能)传给人体，所以50℃的温泉池比80℃的桑拿房要“热”得多。我们还可以找到更极端的案例，距地球50亿光年的地方有一个RXJ1347.51145星系，其内部存在温度高达3亿℃的气体，但是假如我们置身其中，却根本就不会感到热！因为那些气体的密度非常低，每一立方厘米大约只有0.0001到0.01个原子(或离子)。同样的道理，对撞机里的高温也不会熔化管子，因为对撞机里的物质是很少的。

　　温度的世界有很多让人费解的地方，中科院物理研究所研究员曹则贤在接受本报记者采访时强调，在日常生活中我们所说的“温度”往往和科学定义区别很大，短短一篇文章也不可能真正让人理解温度的概念。所以，要想真正理解“我们在说温度的时候都在说些什么”，还需要查阅专业教科书。

　　新知专题采写/本报记者 刘铮
　
      本专题感谢：
　　李淼(中科院理论物理研究所研究员)
　　曹则贤(中科院物理研究所研究员)
　　本专题部分资料来自《Newton科学世界》

可怜的记者。
查考了半天，访谈了半天，最后还是啥也没搞明白，装模作样的写了个伪科普……

不错了，虽然讲的东西比较浅，但是1.没有错误；2要想用一篇短文章说清楚还真不是容易的事，而且为了不枯燥还要讲老长的故事。

还不错啊,学习了................

科学家只能制造出比绝对零度高出10-10摄氏度的低温 - 这里是科学计数法?

不错了，虽然讲的东西比较浅，但是1.没有错误；2要想用一篇短文章说清楚还真不是容易的事，而且为了不枯燥还要讲老长的故事。
wlbx 发表于 2010-3-7 09:27

                               
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总比报出雪加雪的某浪编辑强多了。。。。

http://www.astronomy.com.cn/bbs/thread-130049-1-2.html

3# wlbx

的确，能够做到基本上没有错误，就已经很不错了，毕竟可以看出这个记者还是努力的做了一些调研的。
不过，作为一篇科普的文章，言不及义，从头到尾也没说明白题目的问题，一直在用基础概念的介绍兜圈子。

其实，用一篇短文章说清楚“对撞机制造4万亿度高温为何未烧毁”并不难，熊马上就可以试试：


我们在生活中很容易测量一个物体的温度，但是测量出的多少多少摄氏度是什么意思？

中学物理课本告诉我们：生活中的任何物体都是由很小的分子、原子等粒子构成的，这些微小的粒子一直处于无规则的运动当中。“温度”其实就是这些粒子不规则运动的平均动能。这些粒子的运动速度越快，宏观上看温度就越高；这些粒子的运动速度越慢，宏观上看温度就越低。

我们可以想象，如果粒子们都停下来不动了，这就是自然界中的最低温度，因为不会有比“不动”更慢的了。实际上，根据量子力学的原理，粒子们不可能真的停下来不动，所以当它们处于最慢、最温柔的运动中的时候，就已经是自然界的最低温度了，这个温度被称为绝对零度，它大约是零下273摄氏度。（这段其实与主题无关，但是原文有这方面的拙劣讲解，所以这里就多写几句）

这样，在宏观上看，温度是表示物体冷热的物理量，但是从微观上看，温度是表示组成物体的粒子的运动剧烈程度的物理量。
所以，温度是个很有趣的物理量：它连接了宏观的现象和微观的本质。所以它可以帮助人们用宏观的感觉去了解微观的运动。

话题回到对撞机上，对撞机是什么东东，干啥的？
对撞机是用来制造出一些微观粒子（比如电子、质子、某些原子核等），然后用电磁加速器把这些粒子加速到接近光速，然后让它们互相碰撞！
人们通过研究碰撞时产生的“碎片”粒子，研究微观世界的运动和变化的法则。

既然要把一些粒子加速到接近光速，那么我们总要谈论这些粒子的速度和动能，我们用怎样的语言来形容这些指标呢？
说某个粒子的速度大约是多少米/秒？这个数值总是很接近光速，不会超过光速，但也不会低很多。所以都是29.xxxx万公里/秒之类，不太便于区分。而且对于质量不同的粒子，相同的速度下能量并不相同，所以换算起来很麻烦。
科研工作者一般用“电子伏特”为单位来衡量这些粒子的能量，而不大去管速度的数值，这样在研究中更方便些。但是这个单位并不被大众所熟悉，只能在科研圈子内部使用。如果放在新闻稿里给大家讲：某某加速器产生的粒子对撞能量达到了10^12电子伏特，很少有人能够理解这是什么意思。

前面提到，温度这个物理量既表示了微观运动的剧烈程度，又能给人一个直观的感觉。那么，把对撞机里的粒子运动的速度和能量换算成温度如何呢？
可以计算出来，如果让组成物体的所有微观粒子，都像加速器里制造出来的粒子那样剧烈的无规则运动，这个时候的宏观温度是“4万亿度”。
或者换一个说法：如果我们能把身边的东西加热到“4万亿度”，那么这些东西内的所有粒子的动能都差不多会像加速器里制造出来的粒子那么大。

所以，新闻中所说的“4万亿度”只是一个换算的结果，它其实想表达的是对撞机内的粒子速度有多快、能量有多大。

那么，这个“4万亿度”是否有科学上的意义呢？有一点儿。
我们知道，宇宙刚刚产生的时候，整个宇宙的温度都非常高，每个粒子的运动都很剧烈。
在对撞机中，当两个很高速度的粒子（比如原子核）迎面相撞时，组成它们的更小的粒子混在一起，乱成了一锅粥。在这个瞬间（大约只有1秒的1/100000000那么短的时间），在这个区域内（大约只有1毫米的1/1000000000000那么大），这些粒子的运动能量大概相当于宇宙早期温度在4万亿度时的情形。我们可以说，这个碰撞在极小的时间和空间范围内模拟了4万亿度时的环境，为我们研究宇宙早期的物质运动提供了一个参考。

最后，问题回到主题：对撞机制造4万亿度高温为何未烧毁？
首先，高温不是我们理解的宏观温度概念，而只是对粒子能量的一个换算。
其次，对撞机制造的粒子太小了，它们影响的时间和空间范围实在太小了。你也许尝试过用手指划过蜡烛的火焰，因为受热时间短，手指不会觉得烫；你也许也曾听说过脱毛衣时产生的静电火花竟有几千甚至上万摄氏度，但它只存在了一瞬间，远远来不及把你烧伤。
另外，我们谈论的粒子能量都是那么微小的粒子所携带的，这个能量再大、运动再激烈，在宏观上看也不过如此。实际上，那些砸出类似宇宙早期环境的高能粒子，它的能量如果分散到宏观物体上，差不多相当于一个弹跳的乒乓球的能量。何足惧哉？对撞机中高能粒子的个数虽然看似不少，可是这么小的粒子，再多也不成气候。它们游荡在对撞机内的空腔里，空腔里仍然还可以算作“真空”。

所以，对撞机制造的微观环境下的高温不会带来危险。
题外话：真正的麻烦往往都是宏观的。比如LHC出师未捷，遇到了若干故障，其中一个就是一只肇事鸟把一块吃剩下的面包扔在LHC某处，导致给超导线圈制冷的器件过热，差点出大乱子。看来，因担心“高能粒子毁灭地球”而抗议LHC，还不如在关键的地方立个“禁止乱扔垃圾”的牌子。

科学家只能制造出比绝对零度高出10-10摄氏度的低温 - 这里是科学计数法?
poweru235 发表于 2010-3-7 09:33

                               
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是的。

呼唤论坛重新支持tex代码……

算是看明白了，原来是分子密度的原因啊

我认为，把1楼和7楼的内容都读了，对宏观上的温度和微观上的粒子能量的理解就会深入一步。

熊这篇大作真是写得好！说句感叹吧，现在的科普文章真的不咋地，小弟不敢参考。然小弟平时也要写些普及的东西，不得不买一堆古旧的科普书籍来取材学习（大多数都是负责任的作者）。
建议熊将这篇文章保护好，否则极易被人盗用！

长知识了 平时根本就没注意过 原来还有这么大的差别

11# capa1983

多谢谬奖。

版权问题，熊倒是没考虑。
毕竟这么个随手写的小东西，不值什么，没必要限制什么。
被转载甚至被修改也没关系，只要修改是向更正确（熊没有办法保证每一句都是完全正确的）的方向修改就是了。

一楼，七楼都是好文章，没有明显错误的地方，拜读了。

在1标准大气压下，他把水的沸点定为0℃，水的凝固点定为100℃，meteorobs 发表于 2010-3-7 05:03

                               
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错了吧？？？？？？？

16# yugan

呵呵，大家都没注意到～

我也没注意到这个定义，同时也没注意到后面的定义改变的历史。

不过就是一个真空问题嘛！！！《新闻袋袋裤》上早就用三言两语讲明白了，加个插图，给个颜色，报纸那么大地儿呢……不过做个记者已经很不错了！！！要是我直接叫他们看中学课本去了……