每天出门之前，我都会习惯性地看一下天气预报，除了阴晴风雨，我最关注的一个数值是温度，这很大程度上决定了我该穿什么衣服出门。这个与我们息息相关的物理参数，描述了物体的冷热程度。

今天准备聊的话题，正是温度，特别是物理上的极限温度——绝对零度。

绝对零度，是这个宇宙中能够达到的最低温度，因为在这个温度下，组成物质的原子、分子的热运动将完全停止。当然了，这是从理想气体模型推导出来的极限。当物质间存在其他相互作用，特别是考虑量子效应的时候，运动是永远存在的，这里不展开来讲。今天重点聊下我们为什么需要不断逼近绝对零度，以及我们是如何一步步逼近绝对零度的。

物质中存在着多种相互作用，也叫做力。已知的力包括强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用四种。而在我们日常生活层面上，展现的最多的是电磁力和引力。大量的粒子聚集在一起，它们之间的相互作用与环境的热运动会达到某种平衡，从而形成相对稳定的状态，物理学上称之为“相”。温度描述的实际上就是环境热运动的强度。

当我们改变温度，上面的这种平衡在某个临界点就会被打破，使得物质从一个相转变到另一个相，典型的例子就是温度降低到0度以下时，水就会结冰，从液相变成了固相，而当温度升高到100度时，水就会沸腾，从液相转变为气相。如果我们不断地提高温度，被某些较强的相互作用束缚在一起的物质就会逐渐散开，我们就可以不断地去追寻原初的物质形态，这实际上就是高能粒子物理所做的事情。

配图来自于图虫网

而反过来，如果我们不断地降低温度，一些比较弱的相互作用则开始逐步表现出来，展现出很多新奇的凝聚现象，比如说超导现象。尽管整个宇宙的温度已经冷却到了只有2.7K的温度，也就是大约零下270度，但我们在地球感受到太阳的温暖，温度是很高的，要想在地球上探索各种低温下的奇异效应并设法运用它们，就必须人为制造出稳定的低温环境。

我们现代人对低温技术感受最大的莫过于冰箱和空调了，夏天简直是与wifi并存的生存必要条件。物理学家的追求当然远不止此，它们总是希望穷尽所能去探寻所有可能的物质结构。与之伴随的，就是对低温环境的极致追求。

在获取低温的道路上，有一位我们非常熟悉的先驱，那就是法拉第。没错，就是那位发现电磁感应定律的法拉第，他在研究氯气的化学性质时，一不小心就得到了液态氯，他总结出来是低温和高压所导致的。从此他一发不可收拾，一路液化了当时几乎所有已知的气体，只有氧气、氮气、氢气等气体搞不定，于是他认定这些气体是“永久气体”。后来的事实当然证明他错了，不过搞气体液化毕竟是他的副业，他不小心液化氯气，是因为他当时是化学家戴维的助手，主业其实是搞化学。

接下来法国人卡耶泰液化了氧气和氮气，他用到了一个重要的效应——焦耳-汤姆森效应。现在的稀释制冷机中，有一个重要的部件就叫“焦汤交换器”，是将氦气液化的重要环节。氮气液化将低温极限推到了零下196度（77K）。

但更重要的人物是杜瓦。现在的低温储罐就叫做杜瓦。杜瓦的重要贡献是液化了氢气，采用的方法是逐级液化降温：先将容易液化的气体液化，然后做节流膨胀进一步降低温度，再将另一种更难液化的气体通入其中使其液化，再节流膨胀降温，依次而行。采用这种大力出奇迹的办法，他最终得到了零下260度的低温。杜瓦的心愿是继续攻克最后一种“永久气体”——氦气的液化，可惜这种气体实在太稀缺了，他一直凑不够，最终未能遂愿。

而接过这一棒的，是昂内斯，他当时是荷兰莱顿大学的物理实验室负责人。在他带领下，他们迅速将杜瓦的逐级制冷技术发扬光大，并且在钞能力加持下，建立了大型的液化工厂，利用汉普森-林德循环、低温杜瓦和焦耳-汤姆逊效应，他成功将氦气液化了，温度极限进一步推进到了零下269度，后来利用减压降温技术，又进一步推进到了1.5K，也就是约零下272度。他也因此获得了“绝对零度先生”的称号。昂内斯在液氦加持下又首次发现了超导现象，那就是另一个大故事了。氦液化技术成熟之后，液氦就成为了目前应用最为普遍的低温制冷液体之一，除了温度低的原因外，更重要的是，氦气是惰性气体，无毒无害，不会爆炸，比液氢要安全得多。

不过，1.5K距离绝对零度其实还有一段距离，冲击绝对零度的路还远未结束。氦气还有一种同位素氦3（3He）。这是一种常压下永远也不会变成固体的物质，通过对氦3的减压降温，理论上可以将温度不断逼近绝对零度，但它要求的抽速太高了，技术上无法实现。

后来，科学家们又发现了氦3溶解在氦4中的溶液，当温度降低到大约0.8K以下时，会发生两相分离，形成一个浓相和一个稀相，而当氦3原子穿过两相分离的界面时，会带走一部分热量。这就成为了目前固体极低温获取的最重要技术——稀释制冷技术的基础。稀释一词的含义也正在于此。由于即便到绝对零度，稀相中仍然还有大约6%的氦3，因此这一制冷过程可以一直持续到非常接近绝对零度。稀释制冷可以将温度降至几个mK，也就是比绝对零度只高出零点零零几度。

再往下，还有核绝热去磁技术，还可以将温度降到1mK以下，至此，固体降温的技术基本就到头了。不过通过对一小团原子气体进行激光减速，还可以将气体温度降低到微K量级。

低温的极限到底在哪里，我们不知道，并且我相信探索的脚步也永远不会停止。今天，我们发现极低温下能够开展一些可能会颠覆未来世界的技术——量子计算，如果有一天成为现实，这可能是极低温技术带给人类最大的福报吧！

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：金贻荣

审核：周晓亮（北交大物理实验室）

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 星空计划

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