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。

　　1、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……

　　低温技术在国民经济建设中扮演着重要角色，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。

　　2、“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。

　　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。

　　3、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。

　　19世纪20年代初，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。19世纪50年代，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。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。

　　迈向绝对零度，是一门挑战极限的技术，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。

　　(作者：胡忠军，系中国科学院理化技术研究所研究员)

　　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。

　　1、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……

　　低温技术在国民经济建设中扮演着重要角色，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。

　　2、“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。

　　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。

　　3、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。

　　19世纪20年代初，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。19世纪50年代，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。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。

　　迈向绝对零度，是一门挑战极限的技术，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。

　　(作者：胡忠军，系中国科学院理化技术研究所研究员)