什么叫做开尔文（麦克斯韦和爱因斯坦补完）

传说中普罗米修斯盗取了火，开启了人类的文明；以科学的眼光看待，温度的确是人类社会文明高度的一个标志。

篝火有900℃，人类有了熟食和陶器，告别了茹毛饮血；航空火箭发动机喷发的氢氧焰能产生2570℃高温，人类得以步入太空时代；绝对零度-273.15℃附近，超导性能的发现，核聚变的曙光初现，无限能源之梦不仅仅只是理想。

核聚变反应堆

为什么是900、10万亿或者-273.15呢？是什么规则将这些数值与物理量相连，又是什么体系维持着这些数值的精确？这就是我们今天要讲的内容，锁定温度测量实质的温度单位——开尔文的进化史。容我喝杯热水，45℃刚刚好，慢慢道来这个世间冷暖的真相。

决定世界的七个基本物理量

日常生活中，我们会接触到各种“物理量”，无论你是否知道它们在物理学上被称为“物理量”，你都要和这些概念打交道。比如，长度（距离）、质量、时间、温度、力、能量、功率等等。

物理量有成百上千个，每个物理量都有若干个单位，为了更好的计量和测算，我们需要对每个物理量的每个单位给出准确的定义。

科学世界的建立，可以说离不开物理量以及单位的定义。早在近百年前，各国科学工作者们就意识到这件事情的重要性，他们在一起制定了一套计量体系，被称为“国际单位制”，用于准确规定每个物理量和它们的单位。

国际单位制中，最重要的一项成果就是规定了七个基本物理量和它们的“主单位”，并给出了这七个主单位的标准定义，其它物理量都可以通过这七个基本物理量计算得到。简单的说，现代科学的逻辑自洽以及数学基础，就来源于此。

七个基本物理量和它们的主单位

这七个基本物理量和它们的主单位分别是：时间单位 秒（s）、长度单位 米（m）、质量单位 千克（kg）、电流强度单位 安培（A）、热力学温度单位 开尔文（K）、物质的量单位 摩尔（mol）、发光强度单位 坎德拉（cd）。

我们今天主要就说说热力学温度单位——开尔文。

一开始没开尔文什么事——温标的诞生

温度一开始与精确无关，用随意来形容一点都不过分，因为它来源于人类的主观感受，和现在国际基本单位热力学温度——开尔文一点关系也没有。

简单的说，人们只是根据日常的热胀冷缩效应，把比较固定的物体的温度映射到温度计上来，然后取一个冷的一个热的，中间进行若干等分，这是温标的雏形。

温度计示意图

1724年，德国物理学家——华伦海特，他把冰、水、氯化铵混合物的温度定义为0度。因为这是当时人们能够制造出来的最低温度。换算成摄氏度，大约就是零下18度。这在当时是一个人造低温的里程碑。然后，他再把冰水混合物的温度定义为32度，这个办法定义出来的每一度叫做一华氏度，目前世界上仍有巴哈马、伯利兹、英属开曼群岛、帕劳、美国在使用这个温标系统。

世界上除了华氏温标外，目前使用最广泛的温标是摄氏温标。它是在1742年，由瑞典的天文学家摄尔修斯制定的。他把水的冰点定义为0度，沸点定义为100度。中间进行一百等分，每一份叫做一摄氏度。

由于参照物的选取简单粗暴直接，冰点的水，比冰、水、氯化铵混合物容易找到嘛，所以摄氏温标比华氏温标要更让吃瓜群众喜闻乐见，直到今天它也是目前世界上使用最广泛的温标。

初探温度的下限——查理定律的启示

吃瓜群众喜闻乐见了，可是科学家不满足。

随着科学的进一步发展，人们对于温度的本质以及温度的精确度有了更高的要求。

绝对零度示意图

人们开始努力探寻物质温度背后的性质，以求得出可靠的温标度量体系。科学家们首先盯上的就是气体，无他，因为气体最好研究。气体自身体积以及压强，受到温度的直接影响比较大， 对于理想气体，压力恒定之时，一定量的气体体积V与其温度T成正比——这就是“查理定律”。

“查理定律”显示，当压力恒定的时候，一定量气体的体积越大，其温度就越高。体积越小，其温度就越低。科学家敏锐的意识到，气体的体积存在一个下限，那温度很有可能也是存在下限。

这个值也非常容易得出，用最笨的方法，人们按照画图描点的方法，当气体体积到达0时，气体的温度对应为零下273.15摄氏度。零下273.15摄氏度，是一个理论上不可能达到的温度，科学家把它叫做绝对零度。

开尔文温标的基石——卡诺定理

绝对零度的出现，不是一个数字游戏，对于温标来体系说，它有着革命般的意义。

开尔文是第一个发现其重要意义的人。开尔文提出，把零下273.15摄氏度定义为0点，然后比例不变，这种新定义的温标，就是开氏温标。或者叫做热力学温标。

这是开尔文的一小步，却是温标体系，乃至人类对于温度认识的一大步！

开尔文

同学们回忆一下，我们之前使用的温标，是通过测量物体得出来的，而开氏温标不一样，它不依赖于外物，它直接通过理论计算得出——这就是卡诺定理。

卡诺定理告诉我们，可逆热机的效率，只和两个热源的温度有关，与工作物质无关。开尔文以卡诺定理为基础，确立了开氏温标。

开氏温标并不依赖于自然界某个物质的性质，温度正式结束了作为主观感受反应的日子，进入到——客观物理量的时代——热量测量时代。

开尔文温标体系中热量的测量

人类终于打开了窥探宇宙中温度本质的大门，但理论很丰满，但现实却很骨感。很简单，我们的技术跟不上。

当时的热量测量水平仍没有温度测量准确，所以人们还不得不通过测量物体温度来定义开氏温标。

绝对零度是一个理想的理论值，但我们仍需要再定义一个其他点来锁定温度区间，才能划分每一度的大小。一开始我们定义，水的冰点为273.15K，然后用0到273.15之间进行等分。

冰水混合物示意图

但随着测量技术的进步，我们用更稳定的水的三相点的温度来进行锁定。

对于水来说，它的固态、液态、气态就是水的三种相，简单的说，当带着冰的水在沸腾时的温度，就是水的三相点温度。

当温度是0.01摄氏度，压强为611.73Pa，水将处于三相共存的状态。这个条件非常的稳定，我们用这个温度来定义开氏温标——0.01摄氏度——也就是273.16K。

照此计算，1K等于水的三相点热力学温度的1/273.16。

从1954年到2018年，科学家们对开尔文的实际操作，都是建立在这个基础之上。

麦克斯韦和爱因斯坦最后的努力

开氏温标本质上和物体无关，只是在纯理论上定义的温标，可是由于人类水平有限，只能理论一半，那是科学家心中一直的痛。

因为，凡是靠依靠具体物质测量得出的数值，一定存在误差，而温度以及开尔文，作为基本物理量，是锁定客观世界热量以及分子运动的基石，其定义自身存在着误差，那是不可接受的困境。

感谢麦克斯韦和爱因斯坦，他们早在一个世纪前，就把破解困境的钥匙，交到了我们手上。世间冷暖的真相——玻尔兹曼常数。

麦克斯韦

我们知道温度的微观本质是分子热运动的剧烈程度。分子运动得越剧烈，宏观表现出来的温度就越高。理论上，一个系统的温度本质，就是一个系统的分子总动能。但气体分子太小，人类是无法具体数清楚数目，我们要从统计意义上发力，求出每个分子的平均动能。

这项工作，麦克斯韦首先为我们扫清了障碍。麦克斯韦和玻尔兹曼这两位大佬，给出了经典理论中的麦克斯韦-玻尔兹曼分布，利用数学方法，就可以求出平均动能。从而解决经典状态下的问题。

世界的微观本质不是经典的，而是量子化的。温度进入到微观粒子层面，必须考虑到微观量子状态。别急，爱因斯坦解决了第二个障碍，就是玻色-爱因斯坦统计。爱因斯坦这项工作，扫清了开尔文定义的最后的障碍。我们只要再把玻尔兹曼常数定义为精确值，开尔文就可以在理论上精确了。

爱因斯坦

2018年，国际计量大会通过最新的规定，玻尔兹曼常数已经被认为定义为精确值，它的值是Kb=1.380649*10^-23J/K。开尔文的定义就是要满足玻尔兹曼常数精确等于1.380649*10^-23J/K。

量子空间

我们也就获得了完全满足物理量常数的温度单位定义，温度王国的最后一块拼图，获得补完，至少在量子层面，温度的精确性，以及开尔文的准确度，都可以牢不可破。

结语

玻尔兹曼常数建立起宏观与微观的桥梁，把温度的微观本质是分子运动的剧烈程度表现得清晰无比；再通过玻尔兹曼常数与开尔文的互相锁定，完成了1K的精准定义。

温度单位开尔文，也和质量单位千克、长度单位米、时间单位秒一样，成为一个物理常量，保证了物理基本单位的普适性与精确性。

LHC

不过，离人类宣布胜利还太早。虽然欧洲LHC大型强子对撞机，能够制造出超过10万亿℃的黑体辐射，重现宇宙大爆炸后万分之一秒时的温度，但这样的温度仍不足以触碰到物理学大统一的门槛——要验证弦论，我们至少还要把单个粒子的能量再提高15个数量级。

人类温度之谜的探寻之路，还远远没有走到尽头，开氏温标作为我们手上最重要的工具，将继续和人类并肩前行。

同学们请再努力吧！

我是猫先生，感谢阅读。

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