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台灣師範大學物理系張明哲教授回答如下:
氣體由原子所組成。溫度較高的氣體,平均而言其中的原子(或分子)移動較為快速;相反的,溫度較低的氣體,其中的原子移動得較慢。當原子完全靜止不動時,就是低溫的極限,約為-273℃。所有物質的溫度都不可能比這個溫度更低,所以這個最低溫度也稱為絕對零度(0 K)。在一般的室溫下,氧氣分子一秒鐘大概就可以跑半公里遠。但是在實驗室所創造出的特殊環境下,氣體分子的平均速度可以減慢到一分鐘只移動10公分左右,這時氣體溫度只比絕對零度高出10億分之一度左右。在這種極端的情況下,氣體的量子性質會變得很顯著,產生玻色–愛因斯坦凝聚的現象。
反過來說,人為的實驗可以創造出多高的溫度呢?在美國的國家點燃設施(NIF)裡,將多束功率極高的雷射同時聚焦到一點,可以在瞬間達到一億度的高溫,足以「點燃」核熔合反應。這個溫度和太陽核心的溫度差不多。2007年,歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機(LHC)建好之後,可以讓高能量的粒子互相碰撞。這種激烈的碰撞,可產生1015℃的高溫,幾乎是宇宙大霹靂剛發生後瞬間的高熱狀態。
氣體的另外一個基本性質是壓力。容器裡的氣體具有壓力,是因為無數的氣體分子不斷的撞擊容器壁,使容器感受到向外的推力。當撞擊次數越少,或是撞擊力道越輕微,壓力就越小。如果把容器抽成絕對真空,裡頭完全沒有氣體分子的話,壓力自然會降到零。(負壓區這個名詞,通常指的是這個區域的壓力比一大氣壓小,而不是壓力為負值。)
由於壓力指的是單位面積上的受力。所以施力固定時,如果受力面積越小,壓力就越大。因此在硬度高、切面小的鑽石上施加很大的力量,就可以在互相擠壓的鑽石間產生高壓,達到大氣壓力的1000萬倍左右,讓人們得以模擬地層深處的岩石狀態,研究物質在高壓下的奇特行為。
科學研究的關鍵就是要見人之所未見,其中一條發現的捷徑就是將實驗的條件不斷推向極限。由於高溫與高壓在理論上並無限制,所以這類的新疆界必定還會持續不斷的擴張,帶來更多嶄新而有趣的發現。
【本文轉載自科學人2006年7月號】
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