最低溫度是零下273℃，這是怎麼知道的？
― 在誰都還無法降到那麼低的時代，就從空氣收縮的方式算出來了
溫度向上沒有盡頭，但向下卻有終點。零下273.15℃，就是「絕對零度」。有趣的是，這個數字被發現的時間，遠早於人類真正能把東西冷到那個地步之前。線索，就跟氣球遇冷會縮小的現象一樣。
夏天在陽光下吹得鼓鼓的海灘球，到了夜晚冷颼颼的房間裡，卻稍微縮小了一點。冬天早上，自行車的輪胎總覺得有點軟。這兩種情況，都不是因為把空氣放掉了。
空氣遇冷會收縮。那麼，如果繼續冷下去會怎樣？如果冷得越多縮得越多，那麼體積總有一天會變成零嗎？
大約300年前的科學家們，想的也正是同一件事。而他們，用計算找出了那個「體積變成零的溫度」。
線索只有2個
把0℃的空氣冷卻1℃，體積會減少大約273分之1。若是2℃，就是273分之2。不管是空氣、氧氣還是氫氣，這個比例幾乎都相同。
把溫度和體積畫成圖，會剛好落在一條漂亮的直線上。既然是直線，就能延伸到還沒測過的範圍。延伸出去，就會碰到體積變成零的那個溫度。
也就是說，他們並不是真的把東西冷到那麼低。而是從可測量範圍內的「斜率」，讀出了那個終點的位置。接下來依序來看。
測量空氣收縮方式的人們
最早接近這個想法的，是法國的阿蒙頓。大約在1702年，他用封住空氣的溫度計，研究了溫度與空氣施加壓力之間的關係。據說從那個斜率，他估算出壓力消失的溫度大約是零下240℃。
大約80年後，同樣來自法國的查爾斯，研究了各種氣體加熱後體積的變化方式。查爾斯也以第一個乘坐氫氣氣球升空的人而聞名。不過，他並沒有把結果寫成論文發表。
1802年，給呂薩克發表了更仔細的測量結果。令人驚訝的是，不論氣體種類為何，膨脹的比例幾乎都相同。從0℃加熱到100℃，任何氣體的體積都會變成原來的約1.37倍。
請看圖1。右上方的實線，是實際測得的0℃到100℃範圍。把這條直線向左下延伸的虛線，會在零下273℃碰到體積為零的那條線。試著轉動旋鈕改變溫度，確認左上方筒中的空氣是如何收縮的。
察覺到「體積為零」真正意義的人
然而，這裡出現了一個麻煩的問題。真實的空氣，在到達零下273℃之前就會變成液體。體積真的變成零的場面，實際上根本不會出現。那麼，那條虛線的終點，只是計算出來的數字而已嗎？
給出答案的人，是英國的威廉·湯姆森，也就是後來的凱文爵士。1848年，他重新思考了溫度本身的意義。那個時代，「熱的本質就是物體中微小粒子的運動」這個想法正逐漸普及。
請看圖2。氣體的粒子總是四處飛舞，不斷撞擊器壁。越溫暖，運動得越快，對器壁的推擠力也越強。冷卻之後，運動變得遲緩，推擠力減弱，體積因而收縮。也就是說，那條虛線的終點，就是粒子運動變得最小的溫度。畢竟運動不可能比完全靜止還慢。所以，不會再有比這更低的溫度了。
湯姆森提出了以這個終點為起點的新溫度刻度。這就是現在的「凱文」這個單位。將零下273.15℃定為0凱文，每一刻度的寬度與1℃相同。普通房間的溫度，大約是300凱文。
驗證答案，花了100年
一旦透過計算知道了終點，接下來就展開了「能逼近到什麼程度」的競賽。1877年，氧氣被液化；1898年，氫氣也被液化。1908年，荷蘭的卡末林·昂內斯將氦氣液化，達到零下269℃。
即使冷卻到那個程度，氣體仍以預期的比例收縮，終點的位置並未移動。紙上的那條虛線，是真實存在的。昂內斯在三年後，還發現了冷卻水銀的電阻會突然消失的「超導」現象。
如今，實驗室已經能逼近到十億分之一度左右。即便如此，仍無法做到完全等於零。因為越接近，奪取熱量的手段本身就會越來越失效。
宇宙背景溫度大約是零下270℃。然而，一個名為回力棒星雲的氣體雲，據說比那還更冷，大約零下272℃。這是因為氣體劇烈擴散時，膨脹的過程會使溫度下降。冷掉的噴霧罐的原理，正在恆星的規模上發生。
總結
絕對零度，並不是靠實際冷卻到那個程度才找到的溫度。而是精確測量氣體在0℃到100℃之間收縮的「斜率」，再把這條直線延伸出去而找到的溫度。後來，人們才明白它的意義是「粒子運動變得最小的那一點」，而實驗在100年後才追上了這個理論。
在誰都還到不了的地方，人類早就先「測量」出來了。
空氣收縮的那條直線，指向了那個地方。
關於宇宙寒冷的真相，可以閱讀「宇宙真的很冷嗎？」；把熱搬到外面來冷卻的機制，可以閱讀「冰箱為什麼會讓房間變暖？」。如果想看人類如何巧妙測量難以觸及之物的故事，也歡迎閱讀「地球的重量，是怎麼測出來的？」。
- 把氣球吹起來並綁好口，用繩子測量最粗的地方的周長。
- 把氣球放進冷凍庫約30分鐘後取出，立刻測量同一個地方的周長。
- 用手包住氣球慢慢回溫，確認它會逐漸恢復原本的粗細。
從25℃的房間移到零下18℃的冷凍庫，計算上體積會減少大約14％。換算成周長的話大約減少5％，若是30公分的氣球，大約會變細1.5公分。由於橡膠本身有彈性張力，實際情況不會完全符合這個計算。
想知道更多的人 ― 用語、公式、與教科書的連結從國中理化到大學專業科目，會清楚標示屬於哪個程度的內容
- 國中國中理化課會學到的範圍
- 高中高中「物理」「化學」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或教科書中專欄性質的內容
- 大學高中不會學到、屬於大學專業科目（熱力學・統計力學）的內容
- 研究即使在大學也不會當作「定論」來教、研究者目前仍在探究中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 絕對零度：無法再更低的溫度下限。零下273.15℃。
- 查爾斯定律：壓力固定時，氣體的體積會隨溫度以固定比例增加的定律。也稱為給呂薩克定律。
- 絕對溫度（凱文）：以絕對零度為0的溫度刻度。符號為K。0℃等於273.15 K。
國中高中用公式驗證：從測得的「斜率」，算出終點的溫度
讓我們只用給呂薩克手上掌握的那種資料，也就是「0℃與100℃時的體積」，來計算體積變成零的溫度。
| 用符號表示 | V ＝ V0 × ( 1 ＋ t ÷ 273 ) → V ＝ 0 時，t ＝ −273 |
| 用文字表示 | 目前的體積 ＝ 0℃時的體積 ×（1 ＋ 溫度 ÷ 273）。體積變成零的溫度，就是負的（每1℃增加比例的倒數） |
| 公式的來源 | 在固定壓力下測得的體積與溫度之間的線性關係（查爾斯定律）。其根源在於：溫度＝粒子運動的激烈程度，這個關係 |
| 符號 | 意義與單位 |
| V | 當時氣體的體積（公升） |
| V0 | 0℃時的體積（公升） |
| t | 攝氏溫度（℃） |
| 0℃時空氣的體積 | 1 公升 |
| 加熱到100℃時的體積（實測） | 1.366 公升 |
| 加熱的溫度範圍 | 100 ℃ |
| 100℃所增加的體積 | 1.366 − 1 ＝ 0.366 公升 |
| 每1℃增加的體積 | 0.366 ÷ 100 ＝ 0.00366 公升 |
| 要減掉1公升所需降低的溫度 | 1 ÷ 0.00366 ≒ 273 ℃ |
| 終點的溫度 | 0 − 273 ＝ −273 ℃ |
僅憑0℃到100℃的測量，就算出了終點溫度是零下273℃。給呂薩克本人的測量結果，比例大約是267分之1，終點約為零下267℃。隨著測量精度提升，數值逐漸逼近273。
| 房間溫度（27℃）換算成絕對溫度 | 27 ＋ 273 ＝ 300 K |
| 液態氮的溫度（零下196℃）換算成絕對溫度 | −196 ＋ 273 ＝ 77 K |
| 體積會變成幾分之一 | 300 ÷ 77 ≒ 3.9 |
用液態氮冷卻氣球，計算上體積會縮小到大約4分之1。科學館實驗常展示的那種劇烈縮小，就是這個效果。
高中高中＋把體積、壓力、溫度整合起來看
高中高中會學到把查爾斯定律與波以耳定律（溫度固定時，體積與壓力成反比）結合起來的「波以耳－查爾斯定律」。再加入物質量，就是理想氣體方程式 PV ＝ nRT。這裡的 T 是絕對溫度，若用攝氏溫度，這個公式就不會是漂亮的形式。
高中＋在氣體分子運動論中，單個粒子的平均動能與絕對溫度成正比，為 (3/2)kT（k 為波茲曼常數）。從這個公式可以看出，絕對溫度其實就是「粒子運動能量的刻度」。
大學不依物質種類而定的溫度刻度，與熱力學第三定律
湯姆森於1848年提出的概念，是以卡諾熱機理論為基礎的「熱力學溫度」。其突破之處在於：不依賴任何物質的性質就能定義溫度，後來也被證明與氣體溫度計的刻度一致。此外，絕對零度無法透過有限步驟到達，這一點被整理為始於能斯特熱定理的熱力學第三定律。根據量子力學，即使在絕對零度，粒子的運動也不會完全停止，仍會殘留一種稱為零點振動的最小振動。
📖 公式推導與更進一步的內容：絕對零度（維基百科，日文） ／ 熱力學第三定律（維基百科，日文）
研究目前仍不完全明朗的部分
- 能逼近到什麼程度。 已有實驗報告將原子團冷卻到約1度的數十兆分之一左右。冷卻技術的極限究竟在哪裡，至今仍是持續進行中的競賽。
- 「負絕對溫度」。 在特殊條件下的原子團中，已經可以製造出在統計定義上溫度為負凱文的狀態。這並不代表比絕對零度更冷，反而被解釋為比「無限熱」更熱的狀態，其意義至今仍有爭論。
- 只在極低溫下才會出現的物質行為。 像超導，或原子像單一波一樣行動的玻色－愛因斯坦凝聚，這些只在接近絕對零度時才出現的現象，其機制仍有尚未解開的部分。
也就是說，本文的內容也是「目前所知範圍內的說明」。終點的位置雖然確定，但通往那裡之前的世界，探索仍在進行中。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的對應部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・狀態變化與粒子模型 | 遇冷收縮、粒子運動與溫度 |
| 高中 | 物理・化學「氣體定律」 | 查爾斯定律、波以耳－查爾斯定律、絕對溫度 |
| 高中＋ | 物理「氣體分子運動論」 | 平均動能與絕對溫度 |
| 大學 | 熱力學・統計力學 | 熱力學溫度、熱力學第三定律、零點振動 |
| 研究 | 低溫物理・冷卻原子 | 極低溫紀錄、負絕對溫度 |
| ― | 與生活的連結 | 冬天輪胎或球變軟、液態氮實驗 |
- 維基百科「絶対零度」(日文)
- 維基百科「シャルルの法則」(日文)
- 維基百科「熱力学第三法則」(日文)
- 山本義隆『熱学思想の史的展開』筑摩學藝文庫（日文書籍）
- 國立天文台 編『理科年表』丸善出版（日文書籍）
※本文為一般大眾取向的科學解說。文中數值為幫助理解原理的參考估算值。歷史年代與測量數值，依資料來源可能略有差異。液態氮等極低溫物質，請務必在專業設備與指導下操作。