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今天我们要读的是一本令人着迷的温度
副标题是人类
地球和宇宙的历史
每天早上醒来
大多数人都会思考几个问题
几点了
今天几点了
一会儿去哪儿
长度
时间和温度在不知不觉中影响着我们的生活
在过去的几千年中
人们对于时间和长度的理解并没有多大改变
目是温度却不同
虽然婴儿也能分辨冷热
但是我们只学会了几百年的温度
目前世界上使用最多的温度标记是摄氏温标
水的冰点为摄氏零度
沸点为一百摄氏
然而
一七四二年
瑞典天文学家舍尔修斯首次提出摄氏温标时
它实际上规定了水的冰点为一百度
沸点为零度
为什么会这样
由于瑞典的气温常常降至零度以下
所以沙尔修斯这样做是为了避免记录温度时出现负值
但温度越低
温度就越高
这就有点违背常理了
于是
不到两年的时间
人们就把修斯所说的零度和一百度颠倒了过来
变成了今天的设施
原来
这看似熟悉的温度背后
隐藏着许多有趣的事情和发现
这本令人着迷的温度探索了一些与温度有关的谜题
本书作者吉诺
塞格雷士
美国国家科学基金和美国能源部颁发的美国高能基本粒子理论物理学家
他是物理世家出身
家族里出过不少物理学家
伯父埃米莉
奥塞格雷获得了诺贝尔物理学奖
作者吉诺
塞格雷三十多年来一直从事物理学研究
回顾他的职业生涯以及他父亲和他的两位叔叔的医生
他发现很多科学领域的主题都与温度有关
哪些温度对人类特别重要
在本书中
作者以六组温度数据为线索
为我们揭开了生命与宇宙之谜
这六组数据分别是
动物体温
文明体温
地球体温
深海体温
太阳体温
首先是体温
为什么有些动物要保持恒定的体温
人类的体温惊人的相似
无论是北极冰流上的因纽特人
还是在纽约股票交易所的经纪人
人的体温一般都在三十七度左右
其实这个数据并不严格
因为人体各处的温度都不一样
皮肤的温度一般要比内脏高出六度
内脏的温度也会有细微的差别
这要看新陈代谢和血液流动
除了人类之外
动物世界中还有大量具有恒温体温的动物
那么恒温性究竟对动物有何益处呢
让我们想象一下
远古人类的祖先被狮子追杀到非洲草原上
作为猎物
我们的祖先在逃跑时需要移动四肢
协调运动
大脑必须估算最好的生存策略
我应该向左还是向右
是爬上树还是跳河
脑子里的想法和身体的动作必须同步
这样才能找到一条生路
反观狮子
它也要做出很多判断
眼前这只动物能吃吗
追得上吗
无论是人类还是狮子
都想把他们的基因传承下去
为了达到这一目标
他们必须同时做出几个决定
而大脑就是这些决定的核心
人类和狮子的大脑中
神经细胞数量惊人
神经信号的传递与接收依赖于复杂的化学反应
这些化学反应都是在一定温度下发生的
一般来说
温度越高
化学反应就越快
所以体温越高
身体的反应就越活跃
但不能太高
否则多余的热量无法排出
接收到的信息又会很快崩溃
夏天的时候
有些电脑特别容易死机
在过去的几百万年中
人类与其他温学动物都发现了一条共同规律
在摄氏三十八度左右时
我们的思维和行动都会变得高效
因此
从进化角度来看
恒定的体温有助于提高身体机能
提高我们在生存竞争中获胜的几率
也许正是因为这个原因
温血动物包括人类成为陆地霸主
那么
温血动物如何保持恒定的体温呢
保持体温恒定
有效的降温机制与保暖同样重要
恒温动物主要通过流汗
扇风和喘息来防止体温升高
如果外面的温度太低
我们就会用颤抖来制造热量
好的 好的
在长期的低温环境下
温血动物会分泌大量的脂肪来抵御寒冷
比如企鹅和海豹
在某些海豹的皮肤下面
有一层大约六毫米厚的脂肪
正是因为脂肪层的存在
海豹体内的温度要比表皮温度高出二十一度
所以才能在北冰洋上不惧严寒
除了脂肪之外
它还有一种取暖的绝招
那就是地企鹅
在暴风雪来临的时候
地企鹅们会自发聚集在一起取暖
外围的企鹅轮斑换般
每一只企鹅的数量都在数千只左右
最多的时候甚至有几十万只
在零下几十度的南极极夜里
他们是靠着集体的力量才活下来的
如果体温调节有问题
人们就会发烧
实际上
到目前为止
我们还不清楚发烧的具体机制
医学界一度认为
体温升高可以杀死入侵的细菌
但是对大多数细菌来说
杀死他们的温度远远超过人体所能承受的极限
因此
医疗器械
消毒和烹饪肉类需要超过七十摄氏度的高温
那么
为什么体温升高的目的不是杀死细菌呢
遗憾的是
这个问题到现在还没有得到确切的答案
控制体温的根本原因是什么
它是怎样设置的
怎么变的
科学家们刚刚开始研究这些基本问题
科学和文明的发展过程就是不断的提出问题
不断的寻求答案
关于文明的发展
我们可以采用特殊的测量方法
而不是用熟悉的纪念方法
从打猎
采集
到建村定居
再到生产工具
人类从零度到五百度
一千度
两千度
几亿度
文明的不同阶段有着不同的标志
不同的温度
我们不知道谁先掌握了生活的技巧
也不知道第一堆火势从何而来
但是有一点可以肯定
那就是火改变了人类的生活方式
熊熊的篝火能吓退野兽
也能给洞穴带来光明
使我们的祖先能在洞穴深处安家
有了火
人类才能从热带
温带到严铜地带
随至可以用火来制造金属
随着科技的进步
人类制造出来的火焰温度越来越高
随类文明也从石器时代进入了辉煌的青铜时代
一直到了铁器时代
炼铁需要设置温度为一千四百摄氏度
大约在两千年前
人类把火加热到这个温度
因此
一千四百摄氏度成为铁器时代的标志
然而
在这之后的一千多年中
人类在生活方面的技术并没有取得太大的进步
直到十八世纪
蒸汽机才再次改变了世界
这段历史同样与温度有着千丝万缕的联系
虽然蒸汽时代并没有明确的标志温度
但是它的诞生离不开人类对温度本质的深刻认识
科学家们对温度的探索
促成了热力学的诞生
最终发现了热力学的第一定律
即热是一种能量
而能量的整体守恒定律
蒸汽机就是利用蒸汽中的热能转化为机械能
从而驱动机械
从此
人类就进入了蒸汽时代
人类在经历了蒸汽机时代后
很快就进入了盒子时代
一九九四年
在美国普林斯顿等离子体物理实验室
聚变反应堆利用真空磁场对粒子进行加速
使其最终达到摄氏五点一度
这已经是人类目前所能控制的最高温度了
无法控制的核聚变甚至可以产生几十亿度的高温
就像氢弹爆炸式的核心
现在
科学家们对热的本质有了更深的了解
他们开始把目光投向遥远的地方
想着地球的未来会是什么样子
地球会变热还是变冷
那么人类呢
下面我们来谈谈地球的温度
这关系到人类的命运
出生的地球是一颗炽热的火球
随着温度逐渐降低
液态水逐渐形成
生命开始萌发
经过几百万年的演化
人类终于出现了
嗯 毋庸置疑
地球温度与人类的命运息息相关
如果地球温度上升一百度或下降一百度
人类将无法生存
即使只有几度的变化
对人类的生活也会有很大的影响
影响地球温度的最主要因素是地球相对太阳的运动
天文学家告诉我们
地球绕着太阳做椭圆运动
但很多人并不知道
地球的轨道并非完美椭圆
偏心率也会发生变化
也就是说
有时候这个椭圆会变得更加扁平
因此
不同年份的太阳和地球的距离并不相同
有的年份比较近
有的年份比较远
这种差别足以改变地球的温度
正如你离火炉越远
它的热量就越少
当地球离太阳最远时
它就进入了冰河
据科学家计算
过去六十五万年间
地球曾经历过九次明显的冰期
那时夏季气温比现在低约七度
足以使大片冰原覆盖地球
一如电影中的冰川时代
大地冻结
万物沉睡
幸好现在是尖冰期
所以文明才能兴旺起来
在地球历史上
每一次尖冰期平均持续时间超过两万年
而目前的尖冰期大约在一万一千年前开始
因此
冰期的威胁对于人类来说
仍然遥遥无期
而一个迫在眉睫的问题就是由温室效应引起的全球变暖
温室效应是十九世纪初由法国数学家傅利叶提出的
但是那时他还没有意识到空气中的热量主要是二氧化碳
人们普遍认为
全球气温升高应归咎于大气中二氧化碳浓度的上升
但是问题是
它究竟能上升到什么程度呢
这取决于世界人口增长的速度
以及这些人口的生活方式
工业化生产所排放的二氧化碳比刀耕火种时代要多得多
因此
在全球范围内
工业化程度越高
其人均二氧化碳排放量就越高
有一点是肯定的
如果地球温度持续上升
海平面一定会上升
很多海滨城市都会遭殃
海洋可能带来巨大灾难
但是
海洋同时也是生命的避难所
这是为什么呢
地球经历了这么多场浩劫
还能有生命存在
或许是因为海洋的温度
很多人都以为
深海终年不见阳光
一定是一片漆黑冰冷的区域
但一九七九年的深海考察却打破了这一印象
科学家们用深海探测船在太平洋海沟发现深海热泉
这些来自海底裂缝的热水可以产生超过三百五十摄氏度的高温
他们形容
这些裂隙似乎连接着地狱
来自地底深处的热泉含有大量的硫磺
进入海水后
滚烫的泉水迅速冷却
而硫酸钙则从水中析出
逐渐形成了一个烟囱
这些烟囱喷出的热水和海水之间的温差可以达到三百度以上
这是自然界中温差最大的地方
后来
科学家们惊奇的发现
有些细菌竟然生活在海底烟囱的壁上
这是一个惊人的发现
高温消毒是日常生活中常用的消消毒方法
烹调肉类时要加热到七十度以上才能杀灭细菌
但是深海热泉附近的细菌却可以在八十摄氏度以上的高温下繁衍生息
目前保持细菌耐高温记录的是盐湖酸锁的火焰菌
它的生长环境是摄氏幺幺零度
如果温度低于九十度
它将无法繁殖
除此之外
很多细菌都能在一百摄氏度左右的温度下生存繁衍
统称为炽热之菌
有人提出
生活在地表之下的热菌数量超乎想象
其数量可能与地表细菌数量相当
这些细菌使我们认识生物体发生了革命性的变化
人体能承受三十七度左右的温度
超过了四十一度
我们的身体机能就会出现紊乱
就算处于这个温度
也只能维持很短的时存
为什么炽热菌可以在没有阳光
剧毒
温度极高的深海中生存
地表生命最终使用的能源都是来自太阳
植物通过光合作用产生氧气和碳水化合物
动物通过吸收氧气和碳水化合物来获取碳水化合物
在海底烟囱附近有一只热武器
但他们发现了一种全新的机制
正如我们刚才所说
深海热泉喷出的水中含有大量的硫磺
这些硫磺都是热物质
可以和硫发生化学反应
产生大量的能量
所有的热量都是用来制造碳水化合物的
总之
围绕着这些深海热泉
光合作用取代光合作用
成为生命的支柱
事实上
除了热式热菌之外
冷军还能在极低的温度下生存
它们甚至可以在零度以下的冰水中繁衍生息
这些喜欢极端环境的微生物
给我们带来了新的生命可能性
如果真的发生了气候危机
炽热军很有可能就是生命的火种
即使大地被冰封
没有了阳光
或者海洋淹没了陆地
生命也会在深海热泉中幸存下来
当气候恢复时
它们甚至会出现在陆地上
几十亿年来
地球经历过许多灾难性的灾难
但生命从诞生之日起
就从未真正消亡过
或许这就是原因
刚才我们提到
地表生命从太阳中获取能量
大部分太阳能量产生于其核心
然后经过数百万年的时间
由内而外向外扩散
太阳的核心是一个巨大的核反应堆
每一秒钟都会有一万一千个氢核变成氦原子核
同时释放大量能量
从氢到氦的聚变
到底是什么核反应
它们的反应速度又是如何的快
它取决于太阳核心温度
当然
我们不能直接测量太阳核心的温度
但幸运的是
我们可以从太阳核心接收一个信氏
它来自太阳的心脏
告诉我们那里的温度
它被称为微子
中微子是一个非常神秘的例子
它看不到
闻不到
摸不到
没有电荷
正是由于这一特性
它可以自由的离开太阳
飞向四面八方
包括地球
中微子概念是一九三零年由奥地利物理学家珀利提出的
另一个美国物理学家贝特根据太阳的质量和半径建立了太阳的标准模型
在该模型中
太阳核心的温度直接与其产生的微子数量有关
太阳核心温度愈高
中温子愈多
反之则愈少
因此
如果能够测量到中微子的数量
科学家们就可以根据标准模型计算出太阳核心温度
但是
这种无形经无质的力量该如何检测呢
无论是泡利还是贝特都没有给出答案
物理学家恩里科
费米在几年之后才提出了这个想法
在极少数情况下
中微子会把它遇到的非带电中子变成带正电荷的质子
每时每刻都会有大量中子与中子擦肩而过
科学家们就是以此为基础
开始建造中微子探测器的
他们用的是一种很普通的检测工具
那就是洗衣粉
洗衣液主要由四氯乙烯组成
中微子探测利用了这种化合物中的氯原子
正如我们所说
中子从中子变成质子的可能性非常小
在这无边无际的多氯原子海洋中
总会有中微子出现
于是
氯原子中的一个中子变成了质子
只要探测到这种变化出现的频率
科学家们就可以计算出中微子的数量
从而计算出太阳核心的温度
一九六八年
第一个大型中微子探测器由美国物理学家建造于地下金矿中
其实它的主体是一个游泳池
里面装满了洗衣粉
当时卖洗衣粉的批发商还以为这个大客户开的是一家洗衣店
是游泳池里的洗衣液告诉我们
太阳的核心温度在一千五百七十万摄氏度左右
这些数据有助于科学家对太阳内部的聚变反应有更多的了解
除了太阳以外
其他恒星都会释放出特殊的中微子
这些中微子会随着燃烧
崩塌而释放出来
在这个小小的信使的帮助下
我们能够探测遥远恒星的温度
了解宇宙的过去
现在和未来
我们已经探索过宇宙中各种温度
那么宇宙中是否存在温度的极限呢
根据现有宇宙模型
大爆炸发生的那一瞬间
是宇宙温度达到几千亿度的最高时刻
到现在为止
我们还没有在太空和人类实验室里重现过如此酷热的地方
与之相比
宇宙最低温度似乎更有亲和力
宇宙中最低温度为绝对零度
具体数值为零下二百七十三点一五摄氏度
即开始零度
不过要注意的是
这个下限只是理论上的数值
现实世界根本无法达到
只能无限接近
因为温度是由原子
分子等粒子的动能来衡量的
动能越大
温度也就越高
当粒子动能达到最低点时
即完全静止时
温度将达到绝对零度
那是一片寂静
原子与分子停止运动的世界
这样的世界只存在于理论上
绝对零度是遥不可及的
近两百年来
科学家们一直在实验室里探索着温度的下限
在这个过程中
他们发现了很多意想不到的世界
比方说
当温度达到零下二百六十九摄氏度的摄氏温度时
水银的电电阻突然降为零
一旦超过这个温度
电阻器就会突然恢复
这被称为超导现象
医院里使用的核磁共振成像仪里都有超导磁体
很多大型物理实验设备都会用到超导材料
比如加速器
比如磁约束
比如核聚变装置等等
由于成本和使用环境等原因
由前超导技术在民用领域尚属罕见
但其发展前景十分广阔
例如超导电线和变压器
能极大的减少传输过程中的电力损耗
超导计算机可以让计算机的速度提升一两个数量级
作为现代物理学的一个分支
低温物理已经成为了一个不容忽视的领域
对于温度极限的追求
其实就是人类在科学道路上不屈不挠的精神
现在让我们回顾一下书中的迷人温度
本书有理论物理学家吉诺
塞格雷所著
这六组重要的温度资料为线索
带领我们探索生命与宇宙之谜
这六组数据分别是
动物体温
文明体温
地球体温
深海体温
太阳体温
动物的体温是进化的秘密
温度是科技发展的基础
温度决定了人类的生存和死亡
在极端气候条件下
深海温度给生命带来了复苏的希望
太阳能温度揭开了宇宙学伟大的一页
而温度极限则是人类孜孜不倦的科学追求
温度连接着日常生活和形而上思考的探索生命与宇宙之旅无止境
温度是我们伟大旅程的重要标尺和工具
好吧
这本书就给您解读到这里
明天再见