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热胀冷缩,这是每个人最早接触到的物理原理之一,也可以说是最基础的物理原理之一,理论上,世界上应该没有任何物质不遵循这一原理。
为什么这么说呢?所谓热胀冷缩,就是指物质会随着温度的升高而膨胀,随着温度的降低而收缩,这在物理学上被称为“热膨胀”。温度是什么?温度的本质就是运动。一个物质内部原子的运动速度越快,这个物质所表现出来的温度就越高,反之,一个物质内部的原子运动速度越慢,这个物质所表现出来的温度就越低。
运动是物质的基本属性,宇宙间没有任何物质处于绝对的静止状态,这也就是为什么绝对零度无法实现的原因,因为绝对零度就意味着绝对静止。
我们可以将物质内部原子的运动视为一种振动,一个物质的温度越高,这个物质内部原子的运动就越剧烈,也就是振动得越厉害,而原子振动得越厉害,原子与原子之间的空间就会越大,所以物质在宏观上就会表现出体积增大的现象,这就是热膨胀的本质。现在你应该明白为什么热胀冷缩是不可违背的了吧 ?因为温度、运动、空间,三者之间的关系是不可改变的。
科学就是这么有趣,每当你以为找到了一种不可违背的理论时,意外就会准时来到,一种名为“因瓦”的金属合金材料就不遵循热胀冷缩的原理。
因瓦是一种由铁和镍结合而成的磁性金属合金,这种材料在很大的温度和压强范围之内都表现出了“零热膨胀”的特性,也就是说无论温度升高还是降低,它的体积都几乎没有变化。这是一件挺令人意外的事情,因为铁和镍本身都是严格遵循热膨胀原理的,为什么二者按照一定比例结合在一起之后就变得“叛逆”了呢?
因瓦这种违背热胀冷缩原理的特性被科学家们称为“因瓦效应”,至于因瓦效应而如何产生的,这一问题困扰了科学家们超过百年。
虽然在很长一段时间里,科学家们都没弄清因瓦效应产生的原因,但这并不妨碍人们去利用这种特性,很多对精度有极高要求的零件都可以使用这种材料来打造,比如钟表之中的一些部件。随着时间的推移,科学家们逐渐发现,存在因瓦效应的合金材料并不止一种,但所有存在这种特性的材料都有着一个共同的特征,那就是具有磁性。
很显然,因瓦效应与磁性之间存在着某种密不可分的联系。
想到了这一点,问题也就变得豁然开朗了。首先必须明确的是,热膨胀理论是不可违背的,也就是说没有任何物质能够不遵守热胀冷缩,所以因瓦并不是真的不遵循热胀冷缩原理,而是存在着某种能够将热膨胀抵消的机制,而这种机制必然与磁性有关。随着科技的发展和实验水平的进步,科学家们终于通过实验弄清了因瓦效应背后的秘密。
一种物质的磁性是由其内部的电子活动所决定的,也就是与电子的自旋态有关。
实验发现,在较低的温度下,因瓦的电子会共享相同的自旋态,这会导致它们之间的距离变远,进而推动它们的母原子离得更远,而随着温度的升高,一些电子的自旋态出现翻转,于是原子便会相互靠近,而这种温度低—原理、温度高—靠近的特性,刚好与热膨胀效应中的温度低—靠近、温度高—远离,相互抵消,所以在宏观上就表现出了不遵循热胀冷缩的特性。
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