在地球上制造接近絕對零度的低溫，科學(xué)家做到哪一步了？

每天出門之前，我都會習(xí)慣性地看一下天氣預(yù)報(bào)，除了陰晴風(fēng)雨，我最關(guān)注的一個(gè)數(shù)值是溫度，這很大程度上決定了我該穿什么衣服出門。這個(gè)與我們息息相關(guān)的物理參數(shù)，描述了物體的冷熱程度。

今天準(zhǔn)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(gè)宇宙中能夠達(dá)到的最低溫度，因?yàn)樵谶@個(gè)溫度下，組成物質(zhì)的原子、分子的熱運(yùn)動將完全停止。當(dāng)然了，這是從理想氣體模型推導(dǎo)出來的極限。當(dāng)物質(zhì)間存在其他相互作用，特別是考慮量子效應(yīng)的時(shí)候，運(yùn)動是永遠(yuǎn)存在的，這里不展開來講。今天重點(diǎn)聊下我們?yōu)槭裁葱枰粩啾平^對零度，以及我們是如何一步步逼近絕對零度的。

物質(zhì)中存在著多種相互作用，也叫做力。已知的力包括強(qiáng)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?nèi)粘Ｉ顚用嫔希宫F(xiàn)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(huán)境的熱運(yùn)動會達(dá)到某種平衡，從而形成相對穩(wěn)定的狀態(tài)，物理學(xué)上稱之為“相”。溫度描述的實(shí)際上就是環(huán)境熱運(yùn)動的強(qiáng)度。

當(dāng)我們改變溫度，上面的這種平衡在某個(gè)臨界點(diǎn)就會被打破，使得物質(zhì)從一個(gè)相轉(zhuǎn)變到另一個(gè)相，典型的例子就是溫度降低到0度以下時(shí)，水就會結(jié)冰，從液相變成了固相，而當(dāng)溫度升高到100度時(shí)，水就會沸騰，從液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?。如果我們不斷地提高溫度，被某些較強(qiáng)的相互作用束縛在一起的物質(zhì)就會逐漸散開，我們就可以不斷地去追尋原初的物質(zhì)形態(tài)，這實(shí)際上就是高能粒子物理所做的事情。

配圖來自于圖蟲網(wǎng)

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(xiàn)出來，展現(xiàn)出很多新奇的凝聚現(xiàn)象，比如說超導(dǎo)現(xiàn)象。盡管整個(gè)宇宙的溫度已經(jīng)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(yīng)并設(shè)法運(yùn)用它們，就必須人為制造出穩(wěn)定的低溫環(huán)境。

我們現(xiàn)代人對低溫技術(shù)感受最大的莫過于冰箱和空調(diào)了，夏天簡直是與wifi并存的生存必要條件。物理學(xué)家的追求當(dāng)然遠(yuǎn)不止此，它們總是希望窮盡所能去探尋所有可能的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。與之伴隨的，就是對低溫環(huán)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(qū)，那就是法拉第。沒錯(cuò)，就是那位發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律的法拉第，他在研究氯氣的化學(xué)性質(zhì)時(shí)，一不小心就得到了液態(tài)氯，他總結(jié)出來是低溫和高壓所導(dǎo)致的。從此他一發(fā)不可收拾，一路液化了當(dāng)時(shí)幾乎所有已知的氣體，只有氧氣、氮?dú)?、氫氣等氣體搞不定，于是他認(rèn)定這些氣體是“永久氣體”。后來的事實(shí)當(dāng)然證明他錯(cuò)了，不過搞氣體液化畢竟是他的副業(yè)，他不小心液化氯氣，是因?yàn)樗?dāng)時(shí)是化學(xué)家戴維的助手，主業(yè)其實(shí)是搞化學(xué)。

接下來法國人卡耶泰液化了氧氣和氮?dú)猓玫搅艘粋€(gè)重要的效應(yīng)——焦耳-湯姆森效應(yīng)?，F(xiàn)在的稀釋制冷機(jī)中，有一個(gè)重要的部件就叫“焦湯交換器”，是將氦氣液化的重要環(huán)節(jié)。氮?dú)庖夯瘜⒌蜏貥O限推到了零下196度（77K）。

但更重要的人物是杜瓦。現(xiàn)在的低溫儲罐就叫做杜瓦。杜瓦的重要貢獻(xiàn)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(jié)流膨脹進(jìn)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(jié)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(xù)攻克最后一種“永久氣體”——氦氣的液化，可惜這種氣體實(shí)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(nèi)斯，他當(dāng)時(shí)是荷蘭萊頓大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人。在他帶領(lǐng)下，他們迅速將杜瓦的逐級制冷技術(shù)發(fā)揚(yáng)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(huán)、低溫杜瓦和焦耳-湯姆遜效應(yīng)，他成功將氦氣液化了，溫度極限進(jìn)一步推進(jìn)到了零下269度，后來利用減壓降溫技術(shù)，又進(jìn)一步推進(jìn)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(nèi)斯在液氦加持下又首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，那就是另一個(gè)大故事了。氦液化技術(shù)成熟之后，液氦就成為了目前應(yīng)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(shí)還有一段距離，沖擊絕對零度的路還遠(yuǎn)未結(jié)束。氦氣還有一種同位素氦3（3He）。這是一種常壓下永遠(yuǎn)也不會變成固體的物質(zhì)，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(shù)上無法實(shí)現(xiàn)。

后來，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了氦3溶解在氦4中的溶液，當(dāng)溫度降低到大約0.8K以下時(shí)，會發(fā)生兩相分離，形成一個(gè)濃相和一個(gè)稀相，而當(dāng)氦3原子穿過兩相分離的界面時(shí)，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(shù)——稀釋制冷技術(shù)的基礎(chǔ)。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(xù)到非常接近絕對零度。稀釋制冷可以將溫度降至幾個(gè)mK，也就是比絕對零度只高出零點(diǎn)零零幾度。

再往下，還有核絕熱去磁技術(shù)，還可以將溫度降到1mK以下，至此，固體降溫的技術(shù)基本就到頭了。不過通過對一小團(tuán)原子氣體進(jìn)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(yuǎn)不會停止。今天，我們發(fā)現(xiàn)極低溫下能夠開展一些可能會顛覆未來世界的技術(shù)——量子計(jì)算，如果有一天成為現(xiàn)實(shí)，這可能是極低溫技術(shù)帶給人類最大的福報(bào)吧！

本文為科普中國·星空計(jì)劃扶持作品

作者：金貽榮

審核：周曉亮（北交大物理實(shí)驗(yàn)室）

出品：中國科協(xié)科普部

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