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我们的生活依赖于温度：每天早上起来穿衣要看温度，加热食品要设定温度，洗个热水澡也要先调节好温度。最近这两年新冠病毒Covid-19流行，到处都要量测体温。刚刚开过的全球气候大会讲的也是温度。
人类早年的历史也是按温度来划分的。
在原始的石器时代，人类学会了用火防身、狩猎、御寒、煮食，还掌握了制作陶器的工艺。接下来的是青铜时代。青铜是铜和锡或铅的合金，熔点在700~800℃左右。再接下来的是铁器时代。铁在自然界中通常以红色的氧化铁形式存在，炼铁首先要除去氧，这只需要700℃左右。然后是除去其他杂质，这需要1500℃以上。烧制瓷器则需要1000℃以上高温。我们的祖先烧制陶瓷的技术领先世界一千多年，其关键之一就是温度控制。但古人们却不会测量温度，也没有温度的标准。
温度是怎样测量的？温度的标准是怎样制定的？
要测量温度就要有温度计。最早制作温度计的是伟大的伽利略（Galileo Galilei，1564—1642）。我们在广东科学中心「院士说」| 伽利略的望远镜发现月亮什么秘密？一文中已经介绍过他了。1594年，伽利略读到古希腊学者希罗（Hero of Alexandria，又称为Heron of Alexandria，10—70）的著作，其中讲到气体在被加热时会膨胀。据此，他设计了一个温度计（图1）。这个温度计是一个盛满了水的密闭玻璃容器，里面放置着好几个充了气体的小球。温度升高时，小球里的气体膨胀，克服重力浮上水面。今天我们在礼品店还能看到这种温度计。
图1，伽利略的温度计
伽利略的朋友桑托里奥·桑托里奥（Santorio Santorio，1561—1636）设计了一款更加实用的温度计（图2）。这个温度计用酒精作为液体，上面带有刻度，人对着吹气就可以测量体温。他用自己来做实验，每天小心翼翼地测量自己的体温、心跳和呼吸次数。他还称量了自己在进食、饮水、睡眠和锻炼后的体重（图2），记录下自己的摄入量与排泄量，并把两者之差归结为“无从察觉的汗水”。他的记录是世界上最早的人体医学指标的记录。
图2，桑托里奥和他的温度计及称重实验
值得一提的是在伽利略去世后，他的学生和朋友们创立了一个实验科学院（Accademia del Cimernto）。学院秉承伽利略的思想，不断探索，对温度与压力的测量作出了重大贡献。可惜的是十年后科学院就被梵蒂冈教廷取缔了，科学研究在意大利从此凋零。
罗伯特·波义尔（Robert Boyle，1627—1691）把伽利略的思想带回了英国（参见广东科学中心「院士说」| 解密医学影像技术（一）一文）。他的学生胡克（Robert Hooke，1635—1703）（参见「如虚如实说」| 那个和牛顿有过纷争的男人一文）做了几台温度计。1701年，伟大的牛顿（Isaac Newton，1643—1727）也做了一台温度计。他用亚麻籽油作为温度计的液体，还仿照钟表引进了0~12的刻度。
同一时期，丹麦天文学家奥勒·罗默（Ole Romer，1644—1710，图3），也制作自己的温度计。罗默注意到温度对天文望远镜精度的影响，测量时需要根据温度来进行调节。罗默最著名的工作是根据木星的月食来估算光速，因此入选为法国科学院的外籍院士。罗默晚年时建立了丹麦的航海学校，还出任哥本哈根的警察局长，为丹麦的繁荣做出了很大的贡献。
图3，丹麦天文学家奥勒·罗默
1708年，荷兰人加百利·华伦海特（Garbriel Daniel Fahrenheit，1686—1736）造访罗默。两人交流了制作温度计的经验。1714年，华伦海特创立华氏温标。华氏温标把盐水结冰的温度定为0度（当时认为这是最冷的温度），人体正常体温的温度定为96度。后来为了方便使用，又把纯水沸腾的温度定为212度。华伦海特把华氏温标当作他人生最大的成就，把它刻在自己的墓碑上（图4）。今天美国和几个中美洲的小国还在使用华氏温标。
图4，华伦海特的墓碑
华氏温标的两个关键点：盐水结冰温度及人体正常体温，都难以测量。1742年瑞典科学家安德斯·摄尔修斯（Anders Celsius,1701—1744）创立了摄氏温标。摄氏温标把水在1个大气压下（在海平面的气压）结冰的温度定为0度，沸腾的温度定为100度，中间分100等分，每一等分是1度。1889年这个温标被国际计量委员会（International Committee of Weights and Measures）定为国际标准。
摄氏温标与华氏温标的转换公式是：
在科学实验中，科学家们还会用到绝对温标。绝对温标又称凯氏温标（或开氏温标）。它得名于凯文（有时也翻译为开尔文）勋爵。凯文勋爵名叫威廉·汤姆森（William Thomson，1824—1907）（图5）。1892年他被授勋为“Baron Kelvin of Largs”。因此人们都称他为凯文勋爵（Lord Kelvin）。
图5，凯文勋爵
凯文勋爵的父亲是格拉斯哥大学的教授。他很小的时候就学会了法文和拉丁文，10岁就开始在格拉斯哥大学听课，14岁时还获得学校的金奖。16岁时他进入剑桥大学读书，不久就发表了第一篇文章。毕业后他去法国进修了一年，期间他学习了傅里叶（Joseph Fourier，1768—1830）的热传导和卡诺（Sadi Carnot, 1796—1832）的卡诺循环。1846年凯文回到格拉斯哥大学任教，这时他才24岁。他在格拉斯哥大学工作了51年，一直到75岁退休。为了不让自己闲着，他又注册成为了一名学生。所以他曾经即是格拉斯哥大学最年轻又是最年长的学生。
1848年，凯文提出了绝对温标。他注意到随着压力（Pressure， P）的降低，气体的温度（Temperature， T，以摄氏温标℃为单位）也随之降低。按照这个趋势延伸，不管是什么气体，在温度为-273.15度时，压力就会为零（图6），即气体变成了固体。据此，他提出了凯氏温标。这个温标的增量值与摄氏温标的增量值是一样的。但其0度是摄氏温标的-273.15度。因此，凯氏温标与摄氏温标有个简单的换算公式：
图6，绝对温标图说
凯文勋爵能文能武，在学术上他是热力学、电磁学、地球物理学等多个学科的奠基人。在工程上，他发明了多种仪器仪表，为横跨大西洋的电缆工程和航海导航做出了巨大贡献。此外，他还是最先使用“能量（energy）”一词的人。他有一句名言：“哪里有困难，哪里就有发现。（When you are face to face with a difficulty, you are up against a discovery）”
历史上还有所谓列氏温标（Reaumur，°Ré）和兰氏温标（Rankine，°R）。列氏温标得名于法国博物学家René Reaumur (1683—1757)；兰氏温标得名于苏格兰科学家W.J.M. Rankine(1820—1872)。这两个温标现在都已经不再使用。
2019年国际计量委员会用玻尔兹曼常数（Boltzmann constant）：
重新定义了绝对温标增量中的1度。这个定义与物质的热特性没有关系，只和热能有关。热能的量度单位是焦耳（J）。1焦耳等于1牛顿（N）乘上1米（m）（即J = N×m）。
我们在「如虚如实说」| 焦耳一文中介绍过能量的单位“焦耳”和英国科学家詹姆斯·焦耳（James Prescott Joule，1818—1889）。焦耳是凯文勋爵的好朋友。
撰文：杜如虚（加拿大工程院院士）
排版&编辑 | Mosh魔时
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