氦气液化器低温组件

半导体热电片滴水成冰（局部）

南极的冰雪

温度，是人们日常生活中常遇到的概念。低温，这个通常被认为对生命不太友好的区域，却在科学技术上大有作为。九天揽月、五洋探险、“夸父”逐日……当今科技发展的壮丽画卷中，无不闪烁着低温技术的身影。绝对零度-273.15℃，是目前科学认为的最低温度，也是人类只可接近而无法达到的温度。在迈向绝对零度的探索中，科学家们发现了许多神奇的现象，带来了很多奇妙的应用。

从“热”上发展起的“冷”

人们很早就用温度来表征冷热程度，但直到近代科学发展起来，人们才认识到，温度本质上是微观粒子运动在统计学意义上的宏观反映。温度与生命、时间息息相关——温度是一种调节生命的基本物理参数，决定着发生在生命系统内部所有种类的过程的速度。而温度的测量也是物理科学中最重要的问题之一。

什么是低温？0℃在气象上就属于低温天气，冶金上的低温甚至高达几百摄氏度。而物理学上的低温，通常以开尔文（K）为单位，指120K（-153.15℃）以下。

有意思的是，人们对低温的认识，是从“热”上发展起来的。

热是云雨风雪等自然现象（也是一种运动）产生的原因，是碳基生命赖以生存的基础。但在蒸汽机出现100多年后，人们才认识到，“热”之所以能提供动力，是因为有“冷”，才逐渐形成了一门关于热功转换研究的科学。

随着研究的深入，低温技术应运而生。简单地说，温度产生驱动力的本质在于有温差，消耗这个动力，就可以产生温差，得到低温。这就是制冷技术最基本的原理。制冷技术，就是通过各种制冷剂或电子等循环，实现热量的转移，并维持一种冷的环境——制冷机就是热量的搬运工。

为什么要研究低温技术呢？因为，低温环境孕育了许多奇妙的物理现象，使物质性质发生了奇特的变化——空气会变成液体或固体，生物细胞或组织可以长期贮存而不死亡，磁力线不能穿过超导体，液体氦的黏滞性几乎消失且导热性能比高纯铜还高千倍……

回看科技史，低温技术把人类探索微观物理世界的能力和认知水平提高到了超越经典物理的崭新境界。在这一领域，诞生了众多诺贝尔物理学奖。

更重要的是，低温技术不仅在理论研究上建树颇多，还具有广泛的实用价值。

低温技术在国民经济建设中扮演着重要角色，是支撑高能粒子等前沿科技、可控核聚变等大型科学装置、航天事业、宇宙科学、量子科技、超导技术发展的一项共性基础技术；同时，它也与日常生产、生活密切相关，例如低温生物医学、电子信息、新能源和新材料等等。简要概括起来，低温技术在资源、环境、能源和高技术四大领域都有重要且广泛的应用。

“冷”支撑起的新学科

家用冰箱冷冻室的温度为-18℃；地球最冷的地方在南极，为-89.2℃；月球背面的最低温度在-180℃以下；宇宙深处温度约为-270℃。绝对零度是-273.15℃。理论上，人类永远无法达到绝对零度——经典物理学认为，绝对零度意味着构成物质的微观粒子停止运动，空间和时间的概念或将失去意义。

但在向低、更低的温度探索的过程中，人们发现了许多神奇的现象，开辟了新的研究方向。

低温与超导研究：超导现象是在氦液化低温技术研究中的意外发现。氢气和氦气是沸点最低的两种气体，历史上曾被认为是不可能被液化的“永久气体”。100多年前，科学家才第一次成功制备出液氦。正是那次实验，将物理学推进到量子世界的门口。实验中，科学家用到了水银，以检测当时的一种新发明——电阻温度计在低温下是否有效。意外的是，人类首次看到两种不同的宏观量子跃迁，不仅观察到了水银“零电阻”现象；在没有意识到的情况下，还“观察到”（而不是“发现”）液氦的“超流”跃迁。实验记录这样写道：“就在达到最低温度（约1.8K）之前，沸腾突然停止。”

水银“零电阻”的转变发生在非常窄的温度范围，仅约0.1K。荷兰物理学家卡末林·昂内斯意识到了这种新现象的重要性，称之为“超导电性”。他创造了“超导”一词，并在1911年首次索尔维会议（编者注：由比利时实业家欧内斯特·索尔维创立的物理、化学领域的学术会议，洛伦兹、爱因斯坦、普朗克、居里等科学家均参加过该会议）上宣布。

超导技术以其零电阻和完全抗磁性等特性，在能源、医疗、交通、前沿科学等领域得到广泛应用，并持续推动技术革新。

低温与量子信息处理：低温度的特征自然地有利于信息的高效处理和传递。现代低温物理的起源，正是为了解决当时雷达需要的灵敏度问题。量子计算的兴起需要更可靠的低温技术——量子计算的核心部分是量子比特和量子处理器，1K以下的极低温环境是量子计算的基础条件，只有在毫开级（mK)低温下，量子比特才同时出现0和1的叠加状态。因此，能够提供温度低于100mK或10mK的稀释制冷机，往往是超导量子计算机的标配。

低温与空间技术：低温在空间技术上的应用，主要有地面空间环境模拟、火箭推进剂和空间制冷技术等。例如，人造卫星等航天器要在太空中工作，而外层空间的宇宙背景辐射温度约为2.725K。在地面上模拟接近这么低的温度就需要低温技术。再比如，火箭推进剂中，液氢液氧组合由于环保和比冲大，是提高运载能力的一种重要的高能燃料。制造液氢和液氧，也需要稳定可靠的低温技术。

怎样才能“冷”下来

类似“水往低处流”的原理，热不能自发地从低温向高温传递。因此，制冷的过程，就是通过外力，把热从低温向温度更高的环境“泵”送的过程。

大家比较熟悉的家用冰箱和空调，是利用氟利昂蒸发来吸热制冷，这与运动后皮肤出汗排热的道理一样。蒸发出来的氟利昂蒸汽，经压缩后，温度会升高到远高于环境温度，这样就可以把热量转移到环境中去了。接着，高压蒸汽再经过节流阀或毛细管等减压后，使温度降低，气体又变成液态。如此吸热—放热的过程循环往复，就构成了制冷循环。

公众不太了解的制冷技术，其实还有很多。例如，半导体制冷、热声制冷、吸收式制冷、磁制冷、激光制冷等。

热声制冷，听着很神秘，其实大家可以将声波的运动微团，想象为一个小幅度往复移动（即振荡）、体积不断随声压变化的“气球”——当气团体积变大时，局部温度降低就可以从周围吸热；反之则可以放热。往复运动的微团因吸热放热的位置不同，实现了热传递的“逆袭”。大量微观气团们不断接力，就完成了宏观上热的“搬运”过程。

工业和科研上常用的，是气体液化低温技术，也就是把液化的气体当成“制冷剂”。其中，具有一定难度的是氢气和氦气的液化低温技术。因氢气和氦气不同于空气等气体的物理性质，通常要把气体温度预先冷却到-240℃以下，才能实现高效地节流液化。

两个世纪前，法拉第在试验中意外发现压缩氯气液化现象，并利用这个技术液化了当时大多数已知气体，创造了当时的最低制冷温度。半个多世纪后，焦耳与汤姆逊合作发现了气体节流温度变化的效应（被称为“焦耳-汤姆逊效应”），为实现氧气、氮气、氢气和氦气等气体液化低温技术，提供了重要的理论基础，也因此开创了全新的低温工程行业。而加速促进这一进程的，是膨胀机的应用——它利用高压气体对外做功，从而降低气体内能，以使温度降低，主要有活塞式和涡轮式两种，目前以涡轮式为主。

截至目前，氢气和氦气的低温工程，仍充满了技术挑战——不仅要解决低温绝热难题，这种小分子量气体还非常“轻”并容易泄漏。比如，氦气一旦泄漏，空气杂质就会进入制冷系统，在低温的环境下变成冰晶“子弹”，给装备造成致命损伤。所以，氢氦低温系统对密封性能的要求非常严苛，相当于1立方米容器的内部压力，经过400多年，才允许降低1个大气压。

我国是低温技术的后来者，但经过几代科技工作者的努力，在低温技术工程领域已取得巨大进步。例如，国家重大科研装备研制项目“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”等的成功，让我国能够自主生产液氦温度（-269℃）千瓦级至万瓦级大型低温制冷装备。这一装备，不仅带动了上下游产业，提升了相关行业的能力，更应用在清洁能源和加速器科研等方面，实现了经济、科研等的自主可控。我们在大规模极低温（1K以下）制冷技术等方面，仍需进一步发展，以满足未来实用量子产业等领域的需求。

迈向绝对零度，是一门挑战极限的技术，但我国低温科技奠基人洪朝生院士说过，低温技术在科学实验和发展新技术中成为一种必要的基础条件。如今，前沿基础科学、环境与新能源等，在技术和规模上，对低温工程技术不断提出更高要求。向绝对零度迈进，为人类认知自然提供了新的可能性，更是我们科技工作者的责任！

我问你答

问：绝对零度-273.15℃是怎么得出的？真的测到过吗？

胡忠军：绝对零度由威廉·汤姆逊（即开尔文）提出，单位为开尔文，简写为K。这个数值并不是实测得出的，而是热力学温标的零点——绝对零度是一种理论极限，定义为所有的微观粒子都不再运动。根据环境温度附近气体状态实验规律进行线性外推，估算出绝对零度相当于摄氏温标的零下273.15℃。之所以出现小数，主要是因为摄氏温标以水的冰点和沸点作为两个点，进行百分比划分的缘故。

问：作为“冷”的反面，“热”的极限是多少？我们达到了吗？

胡忠军：理论上温度的上限，是宇宙大爆炸初始状态的温度，科学上称“普朗克温度”，约为1.4×1032K。这究竟有多“热”呢？太阳核心温度约1500万度，约为1.5×107K。这与普朗克温度差着25个数量级，相当于一瓶水与地球的质量比。目前，人类通过“人造太阳”已经能制造出上亿摄氏度的高温，粒子对撞机产生出约5.5万亿度的瞬时温度，但距离“热”的极限，仍然相去甚远。

（作者：胡忠军，系中国科学院理化技术研究所研究员）

本文图片均为作者提供

分享让更多人看到