每天出門之前，我都會習慣性地看一下天氣預報，除了陰晴風雨，我最關注的一個數值是溫度，這很大程度上決定了我該穿什么衣服出門。這個與我們息息相關的物理參數，描述了物體的冷熱程度。

今天準備聊的話題，正是溫度，特別是物理上的極限溫度——絕對零度。

絕對零度，是這個宇宙中能夠達到的最低溫度，因為在這個溫度下，組成物質的原子、分子的熱運動將完全停止。當然了，這是從理想氣體模型推導出來的極限。當物質間存在其他相互作用，特別是考慮量子效應的時候，運動是永遠存在的，這里不展開來講。今天重點聊下我們為什么需要不斷逼近絕對零度，以及我們是如何一步步逼近絕對零度的。

物質中存在著多種相互作用，也叫做力。已知的力包括強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力相互作用四種。而在我們日常生活層面上，展現的最多的是電磁力和引力。大量的粒子聚集在一起，它們之間的相互作用與環境的熱運動會達到某種平衡，從而形成相對穩定的狀態，物理學上稱之為“相”。溫度描述的實際上就是環境熱運動的強度。

當我們改變溫度，上面的這種平衡在某個臨界點就會被打破，使得物質從一個相轉變到另一個相，典型的例子就是溫度降低到0度以下時，水就會結冰，從液相變成了固相，而當溫度升高到100度時，水就會沸騰，從液相轉變為氣相。如果我們不斷地提高溫度，被某些較強的相互作用束縛在一起的物質就會逐漸散開，我們就可以不斷地去追尋原初的物質形態，這實際上就是高能粒子物理所做的事情。

配圖來自于圖蟲網

而反過來，如果我們不斷地降低溫度，一些比較弱的相互作用則開始逐步表現出來，展現出很多新奇的凝聚現象，比如說超導現象。盡管整個宇宙的溫度已經冷卻到了只有2.7K的溫度，也就是大約零下270度，但我們在地球感受到太陽的溫暖，溫度是很高的，要想在地球上探索各種低溫下的奇異效應并設法運用它們，就必須人為制造出穩定的低溫環境。

我們現代人對低溫技術感受最大的莫過于冰箱和空調了，夏天簡直是與wifi并存的生存必要條件。物理學家的追求當然遠不止此，它們總是希望窮盡所能去探尋所有可能的物質結構。與之伴隨的，就是對低溫環境的極致追求。

在獲取低溫的道路上，有一位我們非常熟悉的先驅，那就是法拉第。沒錯，就是那位發現電磁感應定律的法拉第，他在研究氯氣的化學性質時，一不小心就得到了液態氯，他總結出來是低溫和高壓所導致的。從此他一發不可收拾，一路液化了當時幾乎所有已知的氣體，只有氧氣、氮氣、氫氣等氣體搞不定，于是他認定這些氣體是“永久氣體”。后來的事實當然證明他錯了，不過搞氣體液化畢竟是他的副業，他不小心液化氯氣，是因為他當時是化學家戴維的助手，主業其實是搞化學。

接下來法國人卡耶泰液化了氧氣和氮氣，他用到了一個重要的效應——焦耳-湯姆森效應。現在的稀釋制冷機中，有一個重要的部件就叫“焦湯交換器”，是將氦氣液化的重要環節。氮氣液化將低溫極限推到了零下196度（77K）。

但更重要的人物是杜瓦。現在的低溫儲罐就叫做杜瓦。杜瓦的重要貢獻是液化了氫氣，采用的方法是逐級液化降溫：先將容易液化的氣體液化，然后做節流膨脹進一步降低溫度，再將另一種更難液化的氣體通入其中使其液化，再節流膨脹降溫，依次而行。采用這種大力出奇跡的辦法，他最終得到了零下260度的低溫。杜瓦的心愿是繼續攻克最后一種“永久氣體”——氦氣的液化，可惜這種氣體實在太稀缺了，他一直湊不夠，最終未能遂愿。

而接過這一棒的，是昂內斯，他當時是荷蘭萊頓大學的物理實驗室負責人。在他帶領下，他們迅速將杜瓦的逐級制冷技術發揚光大，并且在鈔能力加持下，建立了大型的液化工廠，利用漢普森-林德循環、低溫杜瓦和焦耳-湯姆遜效應，他成功將氦氣液化了，溫度極限進一步推進到了零下269度，后來利用減壓降溫技術，又進一步推進到了1.5K，也就是約零下272度。他也因此獲得了“絕對零度先生”的稱號。昂內斯在液氦加持下又首次發現了超導現象，那就是另一個大故事了。氦液化技術成熟之后，液氦就成為了目前應用最為普遍的低溫制冷液體之一，除了溫度低的原因外，更重要的是，氦氣是惰性氣體，無毒無害，不會爆炸，比液氫要安全得多。

不過，1.5K距離絕對零度其實還有一段距離，沖擊絕對零度的路還遠未結束。氦氣還有一種同位素氦3（3He）。這是一種常壓下永遠也不會變成固體的物質，通過對氦3的減壓降溫，理論上可以將溫度不斷逼近絕對零度，但它要求的抽速太高了，技術上無法實現。

后來，科學家們又發現了氦3溶解在氦4中的溶液，當溫度降低到大約0.8K以下時，會發生兩相分離，形成一個濃相和一個稀相，而當氦3原子穿過兩相分離的界面時，會帶走一部分熱量。這就成為了目前固體極低溫獲取的最重要技術——稀釋制冷技術的基礎。稀釋一詞的含義也正在于此。由于即便到絕對零度，稀相中仍然還有大約6%的氦3，因此這一制冷過程可以一直持續到非常接近絕對零度。稀釋制冷可以將溫度降至幾個mK，也就是比絕對零度只高出零點零零幾度。

再往下，還有核絕熱去磁技術，還可以將溫度降到1mK以下，至此，固體降溫的技術基本就到頭了。不過通過對一小團原子氣體進行激光減速，還可以將氣體溫度降低到微K量級。

低溫的極限到底在哪里，我們不知道，并且我相信探索的腳步也永遠不會停止。今天，我們發現極低溫下能夠開展一些可能會顛覆未來世界的技術——量子計算，如果有一天成為現實，這可能是極低溫技術帶給人類最大的福報吧！

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：金貽榮

審核：周曉亮（北交大物理實驗室）

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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