《通往绝对零度的道路──趣味低温科学技术史》新书上市

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上传时间: 2015-7-2 11:32

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　　《通往绝对零度的道路──趣味低温科学技术史》封面

编辑推荐：
　　一部征服低温的历史，生动地记述了人类文明的进步。但人类征服低温的历程远没有结束，我们无法预料人类会用什么更新的技术制取更低的温度，也无法想象在更低的温度下物质会有什么更神奇的特性。
　　本书虽是一本低温科学技术史的科普读物，依然强调科技史叙述中史料的准确性。作者对史料的选取和考据非常严格，资料多直接来自于古代典籍、著名外文原版著作和权威科技期刊。早期制冷技术史料有的取自1934年出版的Refrigerating Engineering杂志，它几乎同步反映当时制冷技术的发展状况。本书从源头保证史料的真实可靠，从而能更准确地把握具体的历史事件，科学地解读低温科学技术发展的规律。
　　作为一本科技史书籍，不可避免地要涉及相关的科学技术知识。本书用明白晓畅的文字描述深奥的低温科学原理，用大众化的语言翻译专业技术术语，配以丰富的插图让复杂的机械变得直观形象。枯燥的科学在这里变得浅显有趣，读者只需了解一般的科学知识就完全可以读懂在许多人眼里艰深的低温科学，游历低温科学技术历史的殿堂。
　　本书在叙述低温科学技术发展史的同时，介绍了众多著名低温科学家、发明家的趣闻轶事，特别突出他们的科学方法论和科学道德。读者在了解低温科学技术史的同时也学习这些低温科学先驱者的科学态度和科学作风，得到科学精神的熏陶。

本书内容：
　　本书以人类渐次制取不同温区的低温为主线，首先介绍了天然冰制冷。中国是古代制冷技术的发祥地之一，早在3000年前就发明了冰窖“凌阴”，冬季存冰夏季取用，开创了人造低温的第一个纪录0℃，并远远领先于西方世界创造了极为丰富的冷食文化。冷冻机的发明标志机械制冷登上历史舞台，本书详尽介绍了1834年帕金斯发明第一台乙醚蒸气压缩冷冻机和其后各种冷冻机械的发展。冷冻机选用不同制冷剂可以达到－140℃，这时人造低温超越了地球上的最低自然温度。“永久气体”的液化揭开了人类征服低温历史的新一页，本书生动讲述了1877年凯利代特和皮克代特几乎同时液化氧，1898年杜瓦液化氢和1908年在角逐液化最后一个“永久气体”氦的科技大战中昂尼斯睿智胜出的故事。“永久气体”液化使人类制取低温由－183℃挺进到－269℃。本书进而介绍1933年吉奥克成功利用顺磁盐的磁热性质实现磁制冷和1956年西蒙利用原子核的磁性质实现核绝热去磁制冷。现在科学家们利用这一技术可以实现样品的晶格温度达30纳开（nK=10～9K），而核自旋温度达100皮开（pK=10～12K）。最后本书讲述了近代激光制冷技术，1985年华裔科学家朱棣文用激光冷却和陷俘原子的方法使钠原子气体达到240mK。科学家们用激光制冷和“重-磁阱”结合的方法已可以将钠原子气体冷却到了0.5纳开，也就是绝对零度以上仅二十亿分之一度的低温。本书涵盖了几乎所有制冷方法的发明和演进史，并简要介绍了低温技术的广泛应用。
　　在低温世界，物质呈现与常温下非常不同的一些性质。本书用大量篇幅介绍1911年昂尼斯发现超导电性，1937年卡皮查发现超流动性的历程。永不消失的电流和消失的液体粘滞性，奇妙的物质特性，梦幻般的世界，本书为读者奉献低温世界最美丽的两朵奇葩。

精彩书摘：
　　科学家已经进入纳开甚至皮开温区，并在继续开发新的制冷方法，意欲向更低温度挺进。会不会有那么一天，人造低温最终达到绝对零度呢？
　　先回顾一下我们曾经探寻过的自然界存在的低温。
　　中国极端最低气温，黑龙江省漠河，221K（－52.3℃）。
　　地球极端最低气温，南极东方站，184K（－89.2℃）。
　　太阳系大行星最低温度，海王星，50K（－223℃）。
　　宇宙背景温度，2.7K（－270.45℃）。
　　银河系外布莫让星云温度，1K（－272℃）。
　　1K，这是我们所知的自然界存在的最低温度。
　　再看一下人类征服低温的历程。
　　储冰制冷，273K（0℃）。
　　冰盐混合物制冷，冰与食盐混合，252K（－21.2℃）；冰与氯化钙混合，218K（－55℃）。
　　蒸气压缩式冷冻机，氨制冷剂，240K（－33.4℃）；四氟甲烷制冷剂，标准蒸发温度145K（－128℃），最低蒸发温度133K（－140℃）。
　　氧的液化，90K（－183℃）。
　　氢的液化，20.4K（－252℃）。
　　氦的液化，4.2K（－269℃）。
　　氦减压蒸发，0.7K。
　　磁制冷，1mK（10～3K）。
　　核绝热去磁制冷，样品平衡有序温度30μK（30×10～6K），核自旋温度100pK（100×10～12K）。
　　3He-4He稀释制冷，2mK（2×10～3K）。
　　激光制冷，原子气体0.5nK（0.5×10～9K）。
　　纵观人类征服低温的历史，氧的液化开启了通往极低温的大门，似乎使人们看到达到绝对零度的希望。然而实验物理学家很快发现，在达到绝对零度以前，他们所可能使用的制冷方法就已经失效了。氢和氦的液化鼓励人们去尝试探索绝对零度，减压蒸发曾是有效的手段，然而远在到达绝对零度以前，它们或是已变成固体，或是在极低气压下已无气可抽，完全丧失了进一步制冷的功能。后来发现的各种制冷方法，尽管可能制得更低的温度，也都无一不最后面临同样的窘态。人们逐渐认识到，每一种制冷方法都不是万能的，所能得到的低温都有一定的限度。
　　有人也许会想，现在的问题也许仅在于我们未能找到一种完善的制冷方法，只要有朝一日发现了这种方法，就能一举攻克绝对零度的堡垒。这种想法看起来似乎不无道理，理论研究却告诉我们，作到这一点是不可能的，因为它违背了热力学的基本定律。
　　人类向绝对零度能够逼近到何种程度呢？毫无疑义，我们目前采用的核绝热去磁和激光制冷的方法都绝不是探索低温的终点，低温纪录仍将不断刷新。要获得更低的温度，涉及对物质能量结构微细差异的讨论。在物质结构不同层次的变化中，熵值变化的极限是不一样的，对应于某一个层次的变化有一相应的极限熵值。因此，物质的结构层次不同，所能获得的低温也不一样。正是物质结构的这一内在矛盾，决定了任何一种制冷方法都有其制取低温的极限。人造低温向更低温区延伸，反映了人类对物质微观结构认识的不断深化。
　　我们不必慨叹踏上了这样一条没有尽头的旅程，我们理应和低温物理学家一样感到欣慰。卢拉斯玛教授说得好：“到目前为止，我们还不清楚更低温区内有些什么。对低温物理学家，有利的是因为永远也达不到绝对零度，所以我们总将有工作可作。”的确，低温物理学家的幸运之处恰恰在于，他们总可以体察攀登的喜悦。
　　人类向绝对零度能够逼近到何种程度呢？毫无疑义，我们目前采用的核绝热去磁和激光制冷的方法都绝不是探索低温的终点，低温纪录仍将不断刷新。要获得更低的温度，涉及对物质能量结构微细差异的讨论。在物质结构不同层次的变化中，熵值变化的极限是不一样的，对应于某一个层次的变化有一相应的极限熵值。因此，物质的结构层次不同，所能获得的低温也不一样。正是物质结构的这一内在矛盾，决定了任何一种制冷方法都有其制取低温的极限。人造低温向更低温区延伸，反映了人类对物质微观结构认识的不断深化。
　　要获得更低的温度，不仅需探索新的制冷方法，作为它的前提是要找到可供榨取的新的熵源。从天然冰制冷到核制冷和激光制冷，我们挖掘了分子、原子、电子直至核子各层次的熵。只要我们能发现物质的能量结构上更深一个层次的细节，就可能找到制取更低温度的新途径。物质是无限可分的，其层次也可能是无限多的，在没有最终认识到最后层次之前，怎敢妄言可以逼近到何种程度呢？
　　可以断言的是，和我们已经走过的历程一样，在未来通往绝对零度的征途上，我们不仅会遇到险峰崎路，迷雾荒原，也一定会看到绮丽的花朵，妩媚的春光，迎接我们的将是一个更加奇妙的世界。

图书信息：
　　《通往绝对零度的道路──趣味低温科学技术史》

⊙作者：马溥

　　出版社：知识产权出版社
　　定价：45元
　　出版时间：2015年6月
　　ISBN：978-7-5130-3361-9