氦氣液化器低溫組件

半導體熱電片滴水成冰（局部）

南極的冰雪

溫度，是人們日常生活中常遇到的概念。低溫，這個通常被認為對生命不太友好的區域，卻在科學技術上大有作為。九天攬月、五洋探險、“夸父”逐日……當今科技發展的壯麗畫卷中，無不閃爍著低溫技術的身影。絕對零度-273.15℃，是目前科學認為的最低溫度，也是人類隻可接近而無法達到的溫度。在邁向絕對零度的探索中，科學家們發現了許多神奇的現象，帶來了很多奇妙的應用。

從“熱”上發展起的“冷”

人們很早就用溫度來表征冷熱程度，但直到近代科學發展起來，人們才認識到，溫度本質上是微觀粒子運動在統計學意義上的宏觀反映。溫度與生命、時間息息相關——溫度是一種調節生命的基本物理參數，決定著發生在生命系統內部所有種類的過程的速度。而溫度的測量也是物理科學中最重要的問題之一。

什麼是低溫？0℃在氣象上就屬於低溫天氣，冶金上的低溫甚至高達幾百攝氏度。而物理學上的低溫，通常以開爾文（K）為單位，指120K（-153.15℃）以下。

有意思的是，人們對低溫的認識，是從“熱”上發展起來的。

熱是雲雨風雪等自然現象（也是一種運動）產生的原因，是碳基生命賴以生存的基礎。但在蒸汽機出現100多年后，人們才認識到，“熱”之所以能提供動力，是因為有“冷”，才逐漸形成了一門關於熱功轉換研究的科學。

隨著研究的深入，低溫技術應運而生。簡單地說，溫度產生驅動力的本質在於有溫差，消耗這個動力，就可以產生溫差，得到低溫。這就是制冷技術最基本的原理。制冷技術，就是通過各種制冷劑或電子等循環，實現熱量的轉移，並維持一種冷的環境——制冷機就是熱量的搬運工。

為什麼要研究低溫技術呢？因為，低溫環境孕育了許多奇妙的物理現象，使物質性質發生了奇特的變化——空氣會變成液體或固體，生物細胞或組織可以長期貯存而不死亡，磁力線不能穿過超導體，液體氦的黏滯性幾乎消失且導熱性能比高純銅還高千倍……

回看科技史，低溫技術把人類探索微觀物理世界的能力和認知水平提高到了超越經典物理的嶄新境界。在這一領域，誕生了眾多諾貝爾物理學獎。

更重要的是，低溫技術不僅在理論研究上建樹頗多，還具有廣泛的實用價值。

低溫技術在國民經濟建設中扮演著重要角色，是支撐高能粒子等前沿科技、可控核聚變等大型科學裝置、航天事業、宇宙科學、量子科技、超導技術發展的一項共性基礎技術﹔同時，它也與日常生產、生活密切相關，例如低溫生物醫學、電子信息、新能源和新材料等等。簡要概括起來，低溫技術在資源、環境、能源和高技術四大領域都有重要且廣泛的應用。

“冷”支撐起的新學科

家用冰箱冷凍室的溫度為-18℃﹔地球最冷的地方在南極，為-89.2℃﹔月球背面的最低溫度在-180℃以下﹔宇宙深處溫度約為-270℃。絕對零度是-273.15℃。理論上，人類永遠無法達到絕對零度——經典物理學認為，絕對零度意味著構成物質的微觀粒子停止運動，空間和時間的概念或將失去意義。

但在向低、更低的溫度探索的過程中，人們發現了許多神奇的現象，開辟了新的研究方向。

低溫與超導研究：超導現象是在氦液化低溫技術研究中的意外發現。氫氣和氦氣是沸點最低的兩種氣體，歷史上曾被認為是不可能被液化的“永久氣體”。100多年前，科學家才第一次成功制備出液氦。正是那次實驗，將物理學推進到量子世界的門口。實驗中，科學家用到了水銀，以檢測當時的一種新發明——電阻溫度計在低溫下是否有效。意外的是，人類首次看到兩種不同的宏觀量子躍遷，不僅觀察到了水銀“零電阻”現象﹔在沒有意識到的情況下，還“觀察到”（而不是“發現”）液氦的“超流”躍遷。實驗記錄這樣寫道：“就在達到最低溫度（約1.8K）之前，沸騰突然停止。”

水銀“零電阻”的轉變發生在非常窄的溫度范圍，僅約0.1K。荷蘭物理學家卡末林·昂內斯意識到了這種新現象的重要性，稱之為“超導電性”。他創造了“超導”一詞，並在1911年首次索爾維會議（編者注：由比利時實業家歐內斯特·索爾維創立的物理、化學領域的學術會議，洛倫茲、愛因斯坦、普朗克、居裡等科學家均參加過該會議）上宣布。

超導技術以其零電阻和完全抗磁性等特性，在能源、醫療、交通、前沿科學等領域得到廣泛應用，並持續推動技術革新。

低溫與量子信息處理：低溫度的特征自然地有利於信息的高效處理和傳遞。現代低溫物理的起源，正是為了解決當時雷達需要的靈敏度問題。量子計算的興起需要更可靠的低溫技術——量子計算的核心部分是量子比特和量子處理器，1K以下的極低溫環境是量子計算的基礎條件，隻有在毫開級（mK)低溫下，量子比特才同時出現0和1的疊加狀態。因此，能夠提供溫度低於100mK或10mK的稀釋制冷機，往往是超導量子計算機的標配。

低溫與空間技術：低溫在空間技術上的應用，主要有地面空間環境模擬、火箭推進劑和空間制冷技術等。例如，人造衛星等航天器要在太空中工作，而外層空間的宇宙背景輻射溫度約為2.725K。在地面上模擬接近這麼低的溫度就需要低溫技術。再比如，火箭推進劑中，液氫液氧組合由於環保和比沖大，是提高運載能力的一種重要的高能燃料。制造液氫和液氧，也需要穩定可靠的低溫技術。

怎樣才能“冷”下來

類似“水往低處流”的原理，熱不能自發地從低溫向高溫傳遞。因此，制冷的過程，就是通過外力，把熱從低溫向溫度更高的環境“泵”送的過程。

大家比較熟悉的家用冰箱和空調，是利用氟利昂蒸發來吸熱制冷，這與運動后皮膚出汗排熱的道理一樣。蒸發出來的氟利昂蒸汽，經壓縮后，溫度會升高到遠高於環境溫度，這樣就可以把熱量轉移到環境中去了。接著，高壓蒸汽再經過節流閥或毛細管等減壓后，使溫度降低，氣體又變成液態。如此吸熱—放熱的過程循環往復，就構成了制冷循環。

公眾不太了解的制冷技術，其實還有很多。例如，半導體制冷、熱聲制冷、吸收式制冷、磁制冷、激光制冷等。

熱聲制冷，聽著很神秘，其實大家可以將聲波的運動微團，想象為一個小幅度往復移動（即振蕩）、體積不斷隨聲壓變化的“氣球”——當氣團體積變大時，局部溫度降低就可以從周圍吸熱﹔反之則可以放熱。往復運動的微團因吸熱放熱的位置不同，實現了熱傳遞的“逆襲”。大量微觀氣團們不斷接力，就完成了宏觀上熱的“搬運”過程。

工業和科研上常用的，是氣體液化低溫技術，也就是把液化的氣體當成“制冷劑”。其中，具有一定難度的是氫氣和氦氣的液化低溫技術。因氫氣和氦氣不同於空氣等氣體的物理性質，通常要把氣體溫度預先冷卻到-240℃以下，才能實現高效地節流液化。

兩個世紀前，法拉第在試驗中意外發現壓縮氯氣液化現象，並利用這個技術液化了當時大多數已知氣體，創造了當時的最低制冷溫度。半個多世紀后，焦耳與湯姆遜合作發現了氣體節流溫度變化的效應（被稱為“焦耳-湯姆遜效應”），為實現氧氣、氮氣、氫氣和氦氣等氣體液化低溫技術，提供了重要的理論基礎，也因此開創了全新的低溫工程行業。而加速促進這一進程的，是膨脹機的應用——它利用高壓氣體對外做功，從而降低氣體內能，以使溫度降低，主要有活塞式和渦輪式兩種，目前以渦輪式為主。

截至目前，氫氣和氦氣的低溫工程，仍充滿了技術挑戰——不僅要解決低溫絕熱難題，這種小分子量氣體還非常“輕”並容易泄漏。比如，氦氣一旦泄漏，空氣雜質就會進入制冷系統，在低溫的環境下變成冰晶“子彈”，給裝備造成致命損傷。所以，氫氦低溫系統對密封性能的要求非常嚴苛，相當於1立方米容器的內部壓力，經過400多年，才允許降低1個大氣壓。

我國是低溫技術的后來者，但經過幾代科技工作者的努力，在低溫技術工程領域已取得巨大進步。例如，國家重大科研裝備研制項目“液氦到超流氦溫區大型低溫制冷系統研制”等的成功，讓我國能夠自主生產液氦溫度（-269℃）千瓦級至萬瓦級大型低溫制冷裝備。這一裝備，不僅帶動了上下游產業，提升了相關行業的能力，更應用在清潔能源和加速器科研等方面，實現了經濟、科研等的自主可控。我們在大規模極低溫（1K以下）制冷技術等方面，仍需進一步發展，以滿足未來實用量子產業等領域的需求。

邁向絕對零度，是一門挑戰極限的技術，但我國低溫科技奠基人洪朝生院士說過，低溫技術在科學實驗和發展新技術中成為一種必要的基礎條件。如今，前沿基礎科學、環境與新能源等，在技術和規模上，對低溫工程技術不斷提出更高要求。向絕對零度邁進，為人類認知自然提供了新的可能性，更是我們科技工作者的責任！

我問你答

問：絕對零度-273.15℃是怎麼得出的？真的測到過嗎？

胡忠軍：絕對零度由威廉·湯姆遜（即開爾文）提出，單位為開爾文，簡寫為K。這個數值並不是實測得出的，而是熱力學溫標的零點——絕對零度是一種理論極限，定義為所有的微觀粒子都不再運動。根據環境溫度附近氣體狀態實驗規律進行線性外推，估算出絕對零度相當於攝氏溫標的零下273.15℃。之所以出現小數，主要是因為攝氏溫標以水的冰點和沸點作為兩個點，進行百分比劃分的緣故。

問：作為“冷”的反面，“熱”的極限是多少？我們達到了嗎？

胡忠軍：理論上溫度的上限，是宇宙大爆炸初始狀態的溫度，科學上稱“普朗克溫度”，約為1.4×1032K。這究竟有多“熱”呢？太陽核心溫度約1500萬度，約為1.5×107K。這與普朗克溫度差著25個數量級，相當於一瓶水與地球的質量比。目前，人類通過“人造太陽”已經能制造出上億攝氏度的高溫，粒子對撞機產生出約5.5萬億度的瞬時溫度，但距離“熱”的極限，仍然相去甚遠。

（作者：胡忠軍，系中國科學院理化技術研究所研究員）

本文圖片均為作者提供

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