傳說中普羅米修斯盜取了火，開啟了人類的文明；以科學的眼光看待，溫度的確是人類社會文明高度的一個標誌。

篝火有900℃，人類有了熟食和陶器，告別了茹毛飲血；航空火箭發動機噴發的氫氧焰能產生2570℃高溫，人類得以步入太空時代；絕對零度-273.15℃附近，超導性能的發現，核聚變的曙光初現，無限能源之夢不僅僅只是理想。

核聚變反應堆

為什麼是900、10萬億或者-273.15呢？是什麼規則將這些數值與物理量相連，又是什麼體系維持著這些數值的精確？這就是我們今天要講的內容，鎖定溫度測量實質的溫度單位——開爾文的進化史。容我喝杯熱水，45℃剛剛好，慢慢道來這個世間冷暖的真相。

決定世界的七個基本物理量

日常生活中，我們會接觸到各種“物理量”，無論你是否知道它們在物理學上被稱為“物理量”，你都要和這些概念打交道。比如，長度（距離）、質量、時間、溫度、力、能量、功率等等。

物理量有成百上千個，每個物理量都有若干個單位，為了更好的計量和測算，我們需要對每個物理量的每個單位給出準確的定義。

科學世界的建立，可以說離不開物理量以及單位的定義。早在近百年前，各國科學工作者們就意識到這件事情的重要性，他們在一起制定了一套計量體系，被稱為“國際單位制”，用於準確規定每個物理量和它們的單位。

國際單位制中，最重要的一項成果就是規定了七個基本物理量和它們的“主單位”，並給出了這七個主單位的標準定義，其它物理量都可以通過這七個基本物理量計算得到。簡單的說，現代科學的邏輯自洽以及數學基礎，就來源於此。

七個基本物理量和它們的主單位

這七個基本物理量和它們的主單位分別是：時間單位 秒（s）、長度單位 米（m）、質量單位 千克（kg）、電流強度單位 安培（A）、熱力學溫度單位 開爾文（K）、物質的量單位 摩爾（mol）、發光強度單位 坎德拉（cd）。

我們今天主要就說說熱力學溫度單位——開爾文。

一開始沒開爾文什麼事——溫標的誕生

溫度一開始與精確無關，用隨意來形容一點都不過分，因為它來源於人類的主觀感受，和現在國際基本單位熱力學溫度——開爾文一點關係也沒有。

簡單的說，人們只是根據日常的熱脹冷縮效應，把比較固定的物體的溫度映射到溫度計上來，然後取一個冷的一個熱的，中間進行若干等分，這是溫標的雛形。

溫度計示意圖

1724年，德國物理學家——華倫海特，他把冰、水、氯化銨混合物的溫度定義為0度。因為這是當時人們能夠製造出來的最低溫度。換算成攝氏度，大約就是零下18度。這在當時是一個人造低溫的里程碑。然後，他再把冰水混合物的溫度定義為32度，這個辦法定義出來的每一度叫做一華氏度，目前世界上仍有巴哈馬、伯利茲、英屬開曼群島、帕勞、美國在使用這個溫標系統。

世界上除了華氏溫標外，目前使用最廣泛的溫標是攝氏溫標。它是在1742年，由瑞典的天文學家攝爾修斯制定的。他把水的冰點定義為0度，沸點定義為100度。中間進行一百等分，每一份叫做一攝氏度。

由於參照物的選取簡單粗暴直接，冰點的水，比冰、水、氯化銨混合物容易找到嘛，所以攝氏溫標比華氏溫標要更讓吃瓜群眾喜聞樂見，直到今天它也是目前世界上使用最廣泛的溫標。

初探溫度的下限——查理定律的啟示

吃瓜群眾喜聞樂見了，可是科學家不滿足。

隨著科學的進一步發展，人們對於溫度的本質以及溫度的精確度有了更高的要求。

絕對零度示意圖

人們開始努力探尋物質溫度背後的性質，以求得出可靠的溫標度量體系。科學家們首先盯上的就是氣體，無他，因為氣體最好研究。氣體自身體積以及壓強，受到溫度的直接影響比較大， 對於理想氣體，壓力恆定之時，一定量的氣體體積V與其溫度T成正比——這就是“查理定律”。

“查理定律”顯示，當壓力恆定的時候，一定量氣體的體積越大，其溫度就越高。體積越小，其溫度就越低。科學家敏銳的意識到，氣體的體積存在一個下限，那溫度很有可能也是存在下限。

這個值也非常容易得出，用最笨的方法，人們按照畫圖描點的方法，當氣體體積到達0時，氣體的溫度對應為零下273.15攝氏度。零下273.15攝氏度，是一個理論上不可能達到的溫度，科學家把它叫做絕對零度。

開爾文溫標的基石——卡諾定理

絕對零度的出現，不是一個數字遊戲，對於溫標來體系說，它有著革命般的意義。

開爾文是第一個發現其重要意義的人。開爾文提出，把零下273.15攝氏度定義為0點，然後比例不變，這種新定義的溫標，就是開氏溫標。或者叫做熱力學溫標。

這是開爾文的一小步，卻是溫標體系，乃至人類對於溫度認識的一大步！

開爾文

同學們回憶一下，我們之前使用的溫標，是通過測量物體得出來的，而開氏溫標不一樣，它不依賴於外物，它直接通過理論計算得出——這就是卡諾定理。

卡諾定理告訴我們，可逆熱機的效率，只和兩個熱源的溫度有關，與工作物質無關。開爾文以卡諾定理為基礎，確立了開氏溫標。

開氏溫標並不依賴於自然界某個物質的性質，溫度正式結束了作為主觀感受反應的日子，進入到——客觀物理量的時代——熱量測量時代。

開爾文溫標體系中熱量的測量

人類終於打開了窺探宇宙中溫度本質的大門，但理論很豐滿，但現實卻很骨感。很簡單，我們的技術跟不上。

當時的熱量測量水平仍沒有溫度測量準確，所以人們還不得不通過測量物體溫度來定義開氏溫標。

絕對零度是一個理想的理論值，但我們仍需要再定義一個其他點來鎖定溫度區間，才能劃分每一度的大小。一開始我們定義，水的冰點為273.15K，然後用0到273.15之間進行等分。

冰水混合物示意圖

但隨著測量技術的進步，我們用更穩定的水的三相點的溫度來進行鎖定。

對於水來說，它的固態、液態、氣態就是水的三種相，簡單的說，當帶著冰的水在沸騰時的溫度，就是水的三相點溫度。

當溫度是0.01攝氏度，壓強為611.73Pa，水將處於三相共存的狀態。這個條件非常的穩定，我們用這個溫度來定義開氏溫標——0.01攝氏度——也就是273.16K。

照此計算，1K等於水的三相點熱力學溫度的1/273.16。

從1954年到2018年，科學家們對開爾文的實際操作，都是建立在這個基礎之上。

麥克斯韋和愛因斯坦最後的努力

開氏溫標本質上和物體無關，只是在純理論上定義的溫標，可是由於人類水平有限，只能理論一半，那是科學家心中一直的痛。

因為，凡是靠依靠具體物質測量得出的數值，一定存在誤差，而溫度以及開爾文，作為基本物理量，是鎖定客觀世界熱量以及分子運動的基石，其定義自身存在著誤差，那是不可接受的困境。

感謝麥克斯韋和愛因斯坦，他們早在一個世紀前，就把破解困境的鑰匙，交到了我們手上。世間冷暖的真相——玻爾茲曼常數。

麥克斯韋

我們知道溫度的微觀本質是分子熱運動的劇烈程度。分子運動得越劇烈，宏觀表現出來的溫度就越高。理論上，一個系統的溫度本質，就是一個系統的分子總動能。但氣體分子太小，人類是無法具體數清楚數目，我們要從統計意義上發力，求出每個分子的平均動能。

這項工作，麥克斯韋首先為我們掃清了障礙。麥克斯韋和玻爾茲曼這兩位大佬，給出了經典理論中的麥克斯韋-玻爾茲曼分佈，利用數學方法，就可以求出平均動能。從而解決經典狀態下的問題。

世界的微觀本質不是經典的，而是量子化的。溫度進入到微觀粒子層面，必須考慮到微觀量子狀態。別急，愛因斯坦解決了第二個障礙，就是玻色-愛因斯坦統計。愛因斯坦這項工作，掃清了開爾文定義的最後的障礙。我們只要再把玻爾茲曼常數定義為精確值，開爾文就可以在理論上精確了。

愛因斯坦

2018年，國際計量大會通過最新的規定，玻爾茲曼常數已經被認為定義為精確值，它的值是Kb=1.380649*10^-23J/K。開爾文的定義就是要滿足玻爾茲曼常數精確等於1.380649*10^-23J/K。

量子空間

我們也就獲得了完全滿足物理量常數的溫度單位定義，溫度王國的最後一塊拼圖，獲得補完，至少在量子層面，溫度的精確性，以及開爾文的準確度，都可以牢不可破。

結語

玻爾茲曼常數建立起宏觀與微觀的橋樑，把溫度的微觀本質是分子運動的劇烈程度表現得清晰無比；再通過玻爾茲曼常數與開爾文的互相鎖定，完成了1K的精準定義。

溫度單位開爾文，也和質量單位千克、長度單位米、時間單位秒一樣，成為一個物理常量，保證了物理基本單位的普適性與精確性。

LHC

不過，離人類宣佈勝利還太早。雖然歐洲LHC大型強子對撞機，能夠製造出超過10萬億℃的黑體輻射，重現宇宙大爆炸後萬分之一秒時的溫度，但這樣的溫度仍不足以觸碰到物理學大統一的門檻——要驗證弦論，我們至少還要把單個粒子的能量再提高15個數量級。

人類溫度之謎的探尋之路，還遠遠沒有走到盡頭，開氏溫標作為我們手上最重要的工具，將繼續和人類並肩前行。

同學們請再努力吧！