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《迷人的温度》：温度计里的人类史：地球与宇宙的温度记忆
铛铛铃2025-09-20【科普】340人已围观
简介
今天为您解读的书是《迷人的温度》，
副标题是《温度计里的人类、地球和宇宙史》。
每天早上醒来，大多数人都会思考几个问题：几点了？今天几度？等会要去哪里？不知不觉中，对长度、时间和温度的“度”影响着我们的生活。
过去几千年里，人类对长度和时间的理解没有太大的变化，但温度就不同了。虽然就连一个婴儿都能分辨冷热，但是我们学会度量温度只有几百年而已。
现在全世界最常使用的温度标记是摄氏温标，水的冰点是摄氏零度，沸点是摄氏100度。然而，在1742年，瑞典天文学家舍尔修斯第一次提出摄氏温标的时候，其实他规定的水的冰点是100度，沸点是零度，和现在使用的正好相反。这是为什么呢？因为瑞典的气温经常掉到冰点以下，莎尔修斯这么做，是为了避免在记录温度时出现负数。但越冷温度越高，这实在是有点反直觉，所以没过两年，人们就把舍尔修斯规定的零度和100度颠倒了过来，成为了今天使用的摄氏温标。
原来看似熟悉的温度背后，隐藏着许多不为人知的趣事和发现。《迷人的温度》就探讨了一些和温度相关的谜题。
本书作者吉诺·塞格，是美国高能基本粒子理论物理学家，曾受到美国国家科学基金、美国能源部的嘉奖。他出身于物理世家，家族里出过很多物理学家，叔叔埃米利奥·塞格更是诺贝尔物理学奖获得者。作者吉诺·塞格雷在从事物理研究30多年后，回首自己的事业，以及父亲和两位叔叔的一生，发现科学领域内的很多主题都和温度息息相关。
对人类来说，哪些温度格外重要呢？在这本书里，作者从六组重要的温度数据出发，带领我们揭开生命和宇宙的谜题。这六组数据分别是：动物的体温、文明的温度、地球的温度、深海的温度、太阳的温度和温度的极限。
首先是动物的体温。为何有些动物要保持恒定的体温，以及它们是如何保温的？从北极冰流上的因纽特人，到纽约证券交易所里的经纪人，人类的体温都惊人的相似。我们常说人类体温大约是37度，其实这个数据不是特别严谨，因为人体各处的温度并不相同，皮肤温度一般比内脏低六度，不同的内脏温度也有细微的差别，高低取决于新陈代谢和血液的流动。
除了人类以外，动物界也广泛存在体温恒定的温血动物。那么恒温性对动物到底有什么好处呢？我们不妨试想一下远古的一位人类祖先，在非洲大草原被一头狮子追逐的情景。作为猎物，我们的祖先在逃跑时需要调动四肢，协调运动，大脑也必须估算出最佳的生存策略：我该往左边跑还是往右边跑？爬到树上还是跳进河里？脑子里的念头和身体的行动必须同步进行，从而制定出一条求生的路线。反观捕猎的狮子，它同样需要做出许多判断：眼前这个动物能吃吗？我能不能追上它？人和狮子都想活着，把自己的基因传递下去，要达成这个目标，他们都得同时决定好几件事情，而大脑是这些决策的核心。无论是人类还是狮子，大脑里都有数量惊人的神经细胞，神经信号的传送和接收依赖于复杂的化学反应，这些化学反应需要在一定的温度下才能发生。一般来说，温度越高，化学反应进行得越快，所以体温设定的越高，体内的反应就越活跃，但也不能太高，一旦多余的热量无法排出，接收的信息又来得太快，系统就会崩溃，就像有的电脑在夏天特别容易死机一样。
过去几百万年里，人类和其他温血动物发现了一个共同的规律：在摄氏38度左右，我们的思想和行动是最高效的。所以从演化的角度来说，恒定的体温有助于提升身体机能，增加我们在生存竞争中获胜的几率。也许正是出于这个原因，包括人类在内的温血动物才会成为陆地上的霸主。
那么，温血动物是如何保持恒定体温的呢？要保持体温恒定，高效的冷却机制和保暖同样重要。恒温动物主要是通过出汗、山风和喘息来防止体温过高。要是外界温度太低，我们会靠发抖产生热量。而在长期的低温环境中，温血动物会长出厚厚的脂肪，来隔绝外界的寒冷，企鹅和海豹就是绝佳的例子。某些海豹的皮肤下方，有大约6mm厚的脂肪，正是由于这层脂肪的存在，海豹身体内部的温度比表皮温度高了足足21℃，所以它们才能不惧北冰洋的严寒。而企鹅除了脂肪之外，还有另一个取暖绝招——抱团，帝企鹅就是最典型的代表。风雪来临时，帝企鹅会自发聚集成团取暖，最外围的企鹅轮班换岗，每个大团都由成千上万只企鹅组成，最多的时候甚至能达到几十万只。靠着集体的力量，它们才能熬过零下几十度的南极极夜。
如果体温调节出了问题，人们就会发烧。实际上，目前我们并不清楚发烧的具体机制。医学界一度认为，体温升高是为了杀死入侵的病菌，但对于大多数细菌来说，杀死它们的温度远高于人体能承受的上限，所以医疗器械的消毒和肉类的烹饪需要70℃以上的高温。那么，如果体温升高的目的不是杀死细菌，又是为什么呢？遗憾的是，这个问题目前还没有找到一个确切的答案。体温控制的根源是什么？它是如何设定的？如何变化的？对于这些基本的问题，科学家们才刚开始研究。科学与文明的发展历程，就是不断提出问题，再去寻找答案的过程。
说到文明的发展，除了用熟悉的纪年法来界定以外，还可以采用温度这个特殊的度量。从狩猎、采集到建村、定居，再到生产工具，人类制造的温度从零度开始，经过500度、1000度、2000度直到几亿度，不同阶段的文明有不同的标志——温度。
我们不知道是哪位智人祖先首先掌握了生火的技巧，也不知道第一堆火是从哪里升起来的，但可以确定的是，火改变了人类的生活方式。熊熊的篝火可以吓退野兽，还能为洞穴带来光明，让我们的祖先能够在洞穴的更深处定居。有了火，人类就能从热带和温带迁居到气候严酷的寒带，甚至开始利用火来加工金属，制造出趁手的工具。随着技术的进步，人类制造出来的火的温度越来越高，人类文明也从最原始的石器时代进入辉煌的青铜时代，直至铁器时代。炼铁需要摄氏1400度的高温，大约2000年前，人类就将火加热到了这个温度，1400度也由此成为铁器时代的标志。然而在此之后的1000多年里，人类在生活这个领域的技术没有太大的进步，直到18世纪，蒸汽机的发明才再次改变了世界。这段历史同样与温度息息相关，蒸汽时代虽然没有具体的标志温度，但它的诞生离不开人类对温度本质的深入理解。科学家对温度的探索，促成了热力学这门学科的诞生，最终，他们发现了热力学第一定律：热是能量的一种形式，而且能量整体是守恒的。蒸汽机的原理，正是将蒸汽蕴含的热能转化成机械能，再利用这些能量驱动机械，人类就此进入蒸汽时代。
经历了蒸汽时代的爆炸式发展，人类很快进入如今的核子时代。1994年，美国普林斯顿等离子体物理实验室的聚变反应堆，利用真空磁场加速粒子，最终达到了5.1亿摄氏度的高温，这是目前人类创造的能控制的最高温度。不可控的核聚变甚至能制造出几十亿度的高温，比如爆炸的氢弹核心。
现在，科学家对热的本质有了更深入的理解，他们开始将目光投向远方，思考未来的地球会是怎样，它会变得酷热还是寒冷，到时候人类又将如何。接下来，我们就说说和人类命运息息相关的地球的温度。
刚刚诞生的地球是一颗灼热的火球，随着温度慢慢降低，液态水得以形成，生命开始萌芽。经过亿万年的演化，人类终于出现在大地上。毋庸置疑，人类的命运与地球的温度息息相关。如果地球的温度升高100度，或者降低100度，人类就不可能存活下来。即使变化的幅度不那么大，只是升降几度，人类的生活也必将受到重大的影响。决定地球温度的最大因素是地球相对于太阳的运动。天文学家告诉我们，地球以一定的倾角绕太阳做椭圆形运动，但很多人不知道的是，这条公转轨道并不是完美椭圆形，它的偏心率会发生一定变化，也就是说，这个椭圆有时候会变得比平时更扁一些。所以在不同的年份，地球与太阳的距离不是一成不变的，而是有的年份更近一些，有的年份更远一些。这样的区别足以导致地球的温度发生变化，就像你离炉子越远，就越感受不到它的热量。当地球离太阳这个炉子最远的时候，就会进入冰期。科学家的计算显示，过去的65万年里，地球上出现过九个显著的冰期，那时候的夏季温度比现在低七度左右，这足以让大片的冰原覆盖地球，就像在电影《冰川时代》里看到的那样，大地风动，万物蛰伏。幸运的是，现在正处于温暖的间冰期，所以文明才能欣欣向荣的发展到今天。地球历史上每次间冰期平均持续2万多年，目前的间冰期大约开始于1.1万年之前，所以对于人类来说，冰期的威胁依然遥远，迫在眉睫的问题是温室效应带来的全球变暖。
19世纪初，法国数学家傅立叶最早提出了温室效应，但在那时候，他并不知道空气中所储热量的主要是二氧化碳。现在普遍认为，空气中的二氧化碳浓度的升高是导致全球气温上升的罪魁祸首，但问题是它会升到多高，这取决于世界上的人口会以多快的速度增长，以及更重要的，这些人口以怎样的方式生活。与刀耕火种的年代相比，工业化生产排放的二氧化碳更多，所以从全球来看，工业化越成熟的国家，人均二氧化碳排放量也越高。可以确定的是，如果地球的温度继续升高，海平面必然上升，许多海滨城市将遭受灭顶之灾。
海洋可能带来巨大的灾难，但同时海洋也是生命的庇护所。为什么这么说呢？地球经过历次大劫难，仍然有生命延续下来，这或许与海洋的温度有关。很多人以为，终年不见阳光的深海，必然是漆黑寒冷的地域，但1979年，一次深海考察推翻了人们的这个印象。科学家乘坐深潜探测器，在太平洋的海沟中找到了深海热泉，这些从海底裂缝中喷出的热水，能够制造出350度以上的高温，他们形容说，这些裂隙仿佛和地狱相连。来自地底深处的热泉水中含有大量的硫，进入海水以后，滚烫的泉水迅速冷却下来，硫酸钙也从水中析出，在喷口周围逐渐形成一根烟囱。这些烟囱喷口处的热水与几厘米外的海水，温差能够达到300度以上，这是自然界中温差最大的地方。后来，科学家惊讶地发现，这些海底烟囱的管壁上竟然生活着一些细菌，这个发现简直惊世骇俗。在日常生活中，高温消毒是一种常见的灭菌手段，烹饪肉类时加热到70度以上，就是为了杀死细菌，但深海热泉附近的细菌，却能在80度甚至更高的温度下繁衍生息。目前，在细菌中保持耐高温记录的是盐湖酸锁火叶菌，它在摄氏110度的环境中发育得最好，要是温度降到90度以下，它就无法繁殖。除此之外，还有不少细菌能在100度左右的温度下生存繁衍，统称为嗜热菌。有人提出，在地面以下生活的嗜热菌规模超乎想象，它们的数量或许和地面上的细菌总量相当。这些细菌彻底改变了我们对生物的认识，人体能耐受的温度是摄氏37度左右，超过41度，我们的身体机能就会紊乱，就算刚好在这个温度上，我们也只能生存一小段时间，嗜热菌却能在没有阳光、充满毒性、温度超高的深海中存活下来，这是为什么呢？
地面生命利用的能量归根结底来自太阳，植物通过光合作用制造出氧气和碳水化合物，动物吸进氧气，吃下碳水化合物，整个欣欣向荣的生物圈都以太阳能为基础。海底烟囱附近的嗜热菌，却找到了另一套全新的机制。刚才我们说过，深海热泉喷出的水中含有大量的硫，这些嗜热菌能与硫原子发生化学反应，产生大量能量，嗜热菌在利用这些能量制造碳水化合物。简而言之，在这些深海热泉周围，化合作用代替光合作用成为了生命的支柱。
事实上，除了嗜热菌以外，还有另外一些能在极低温度下生存的嗜冷菌，它们甚至能在接近零度的冰水中繁衍生息。这些喜欢极端环境的微生物，让我们看到了生命新的可能。如果气候危机真的来临，嗜热菌或许会成为生命的火种，即便大地封冻、失去阳光，或者海洋上涨淹没陆地，只要有化合作用的支撑，生命就仍然可能在深海热泉中保存下来，等到气候再次恢复，它们甚至还可能在陆地上出现。在几十亿年的历史中，地球经历了那么多毁天灭地的灾变，但生命自诞生以来似乎从未真正消亡过，或许这便是原因所在。
刚才我们提到，地面生命利用的能量来自太阳，而太阳的大部分能量是在它的核心产生的，然后在数百万年的时间里由内向外扩散。太阳的核心是一座巨大的核反应堆，每一秒里，这座反应堆都有1万亿磅氢原子核转变成氦原子核，同时释放出海量的能量。究竟是哪些核反应催化了由氢到氦的聚变，这些反应的速度又有多快，这都取决于太阳的核心温度。我们自然无法直接测量太阳的核心温度，幸运的是，我们能够接收到来自太阳核心的一位信使，它从太阳的心脏飞来，并诉说着那里的温度，它的名字叫中微子。
中微子是一种非常神秘的粒子，它看不见、闻不到、摸不着，也不带任何电荷，正是出于这样的特性，它才能畅通无阻的离开太阳，飞往四面八方，包括地球的方向。早在1930年，奥地利物理学家泡利就提出了中微子的概念。根据已知的太阳质量和半径，另一位美国物理学家贝特又建立了标准的太阳模型。在这个模型中，太阳核心的温度与它产生的中微子数量直接相关，太阳核心温度越高，产生的中微子就越多，反之则越少。所以如果能够测出中微子的数量，科学家就能根据标准模型算出太阳的核心温度。但我们该如何检测这种来无影去无踪的粒子呢？泡利和贝特都没有给出答案，直到几年后，物理学家恩里科·费米才提出，在极其罕见的情况下，中微子会将它遇到的一个不带电的中子转化为带有正电荷的质子。每时每刻都有大量的中微子和中子擦肩而过，或许其中就有一个发生了这样的变化。正是基于这个原理，科学家开始修建中微子探测器，他们使用的检测工具十分常见，那就是我们生活中会用到的洗衣液。洗衣液的主要成分是四氯乙烯，中微子检测利用的是这种化合物中的氯原子。我们刚才说过，中微子有极小的几率将一个中子转化为质子，在茫茫多氯原子的海洋里，总有一些能够遇到中微子，于是氯原子里的一个中子就会变成质子，只要能检测到这种变化出现的频率，科学家就能推算出中微子的数量，进而算出太阳的核心温度。1968年，美国物理学家在地下金矿中建造了第一台大型中微子探测器，其实它的主体就是一个装满了洗衣液的游泳池，当时卖洗衣液的批发商还以为这位大客户是开连锁洗衣店的。正是泳池中的洗衣液告诉我们，太阳的核心温度大约是1570万度，这个数据帮助科学家进一步理解了太阳内的聚变反应。
除了太阳之外，其他恒星在燃烧坍塌也会释放出特殊的中微子，借助这位小小的信使，我们可以探查遥远恒星的温度，了解宇宙的过去、现在和未来。
以上，我们探索了宇宙中的各种温度，那么，在浩渺的宇宙中，温度有极限吗？
根据现有的宇宙模型，大爆炸发生的那个瞬间，是整个宇宙温度最高的时刻，当时的温度达到了几千亿度，直到现在，无论是在太空中还是在人类的实验室里，我们都没能重现这样的酷热地狱。相比之下，宇宙温度的下限似乎更亲切一些。宇宙中温度的下限是绝对零度，它的具体数值是摄氏零下273.15度，也就是开尔文零度。但要注意的是，这个下限是一个理论数值，在现实世界中不可能达到，只能无限接近。因为温度衡量的其实是原子、分子这些微粒的动能，粒子动能越高，物质的温度就越高，如果粒子动能达到最低点，也就是完全静止的时候，温度就会达到绝对零度，那是一个完全寂静的世界，原子和分子都停止了运动，那样的世界只存在于理论的假想中。绝对零度是一个可望不可及的极点。
最近200年来，科学家在实验室里朝着温度的下限不断进军，在这个过程中，他们有了很多意外的发现。比如说在温度达到摄氏零下269度时，金属汞的电阻会突然变成零，一旦超过这个温度，电阻又会突然恢复，这就是著名的超导现象。在医院里使用的核磁共振成像仪里，就有超导磁体，很多大型物理实验设备里也会用到超导材料，比如说加速器、磁约束、核聚变反应装置等。由于成本和使用环境的限制，目前超导技术在民用领域还比较罕见，但它的前景十分广阔，比如说超导电线和变压器可以大大降低电力在传输过程中的损失，超导计算机能将目前计算机的速度提升一到两个数量级，还有超导磁悬浮列车、超导船舶推进系统等等，这些领域的研究都在紧锣密鼓地进行。作为现代物理学的分支，低温物理已经占据了不容忽视的一席之地。对温度极限的追求，其实是人类在科学道路上执着精神的一个缩影。
现在回顾一下《迷人的温度》这本书的主要内容。这本书由理论物理学家吉诺·塞格雷所著，他从六组重要的温度数据出发，带领我们一起探索了生命和宇宙的奥秘。这六组数据分别是：动物的体温、文明的温度、地球的温度、深海的温度、太阳的温度和温度的极限。动物的体温蕴藏着演化的秘密，文明的温度与科技的发展息息相关，地球的温度决定着人类乃至所有生命的生存、死亡，深海的温度为生命带来极端气候下复兴的希望，太阳能温度揭开了宇宙学的宏大篇章，而温度的极限体现了人类对科学的执着追求。温度的纽带连接着日常的生活与形而上的思考、探索，生命和宇宙的征程没有终点，温度正是我们在这伟大旅程中的重要标尺和工具。
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