酷热的夏天，咱们视空调为救世主，现在的城市人恐怕不行思议没有空调的日子会怎样。坐在屋内享用冷风吃冰西瓜的时分，咱们有没有想过这份“冰爽”是怎样来的？物理学家和工程师们是怎样将凉意一步步带入千家万户的？当然，物理学家的野心远不止此。热力学第三定律给出一个“绝对零度”：-273.15摄氏度（0K），在这个温度下，系统的熵到达一个定值——零。好，咱们就要这个温度！
咱们为什么要重视极低温下的世界呢？事实上，咱们的世界从一开端就在不断的冷却，直到今日只需约2.7K的温度。跟着时间推移，世界会进一步冷却直至绝对零度，归于死寂。但是，正是在这个冷却的进程中，被环境温度所掩盖的各种凝集现象得以逐步展示，构成各种杂乱的物质和材料，构成咱们多姿多彩的世界。当温度迫临绝对零度时，咱们乃至发现，那里隐约藏着改动世界的力气！今日就向咱们介绍一下这些科学研讨的根底——发明低温环境的低温技能。
撰文 | 无邪（量子核算范畴从业人员）
一个世纪之前，莱顿大学的昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）教授榜首次将氦气液化，从此翻开了极低温物理世界的大门。昂内斯自己也因而而发现汞的超导电性，成为超导榜首人。百年来，低温技能不断进步，减压降温、3-He制冷、绝热去磁、稀释制冷等技能逐步呈现并商业化，使得温度环境从4.2K逐步推进到1K、500mK、100mK直至10mK以下。
现在，低温技能在材料和根底物理研讨中如此之遍及，以至于许多科学家无法重视低温技能自身，或认为其理所当有——就如真空技能相同。今日写这篇关于低温，特别是极低温获取技能的遍及篇，正是期望更多的人能给予低温技能更多的重视，这将有利于低温技能在国内的进一步开展。
咱们为什么需求低温？
混沌初开，咱们的世界从大爆破开端，就在不断降温。在这个降温进程中，四种底子的彼此效果力分出来了，各种底子粒子分出来了，原子得以构成，物质得以凝集，星系得以成型......通过了上百亿年的胀大、冷却，总算成为了现在这个姿态。到现在为止，创世之初留下的遗址，也便是世界“微波布景辐射”无处不在。世界从爆破之初极高的温度——连底子效果力都无法区别——冷却到现在微波布景辐射仅2.7K的温度。
能够预见的是，这种冷却还将持续下去。早年有人（开尔文勋爵，便是上文中温度单位K所问候的科学家）预言，世界终有一日会变成一片死寂，没有光，没有任何运动，由于那时整个世界的温度将降至绝对零度——一个能将全部的运动冻住的温度。当然，后来的量子力学告知咱们，涨落是永久的，即使是绝对零度，依然会存在量子涨落，粒子依然会动，光依然会发作、湮灭。但是，世界走向冷却的趋势是不行阻挠的，热力学第二定律的脚步无比坚决，咱们的太阳终将暗淡，咱们的地球终将失掉光亮，变成失望的阴间。
世界微波布景辐射。原初光子在世界胀大进程中不断红移，相当于世界在不断降温。到今日，这种布景辐射的特征与温度为2.7K的黑体辐射相同 | 图片来历：NASA/WMAP
咱们来细心看看这个冷却进程中发作了什么？当温度满足高的时分，全部粒子都是游离状况，它们磕碰、结合，又别离......世界一片混沌。只需当温度下降之后，质子才总算能抓获电子构成氢原子，进一步冷却之后，这些原初的粒子才得以在引力效果下聚合成团，构成恒星这种造物发动机。当恒星内部聚合反应所开释的能量不足以支撑引力时，恒星将会爆破，喷射出许多重元素。这些重元素在恒星外部的低温环境下从头聚合，分子和晶体开端构成，终究组成行星，比方咱们的地球。地球进一步冷却之后，生命总算得以诞生并连续至今。
整个进程中，咱们能够看到一条底子的头绪：温度在逐步下降，新的凝集现象则随之逐级发作。从物理学视点看，这是不同的对称性逐步发作破缺。那咱们不由要问：假设温度进一步下降，还会有哪些凝集现象会发作？这些新的凝集现象及其引发的效应，能否为咱们带来优点？这是凝集态物理学家们考虑的永久主题，也是低温技能开展永久的原动力。
低温与量子力学
量子力学的创始与开展，起先与低温没有多少联络。量子力学现象，都是在光子、电子和原子中发现的，这些粒子的能量都很高，远比室温引起的热涨落高得多，因而在室温下就能表现出各种美妙的量子现象。跟着物理学探究进一步向更微观的世界开展，与低温更是渐行渐远，由于翻开底子粒子的魔盒，往往需求更高的能量。但是，咱们的实践世界终究是微观的，咱们触摸到、感知到的，无一不是微观的物体。已然量子力学能够主导微观世界，而微观物体又无一不是由微观粒子堆砌而成，那么量子力学又是怎么影响微观世界的呢？
前期的物理学家失望地发现，一旦进入微观世界，量子效应就“消失”了。咱们不行能用薛定谔方程来求解一杯水是怎么构成的，更不行能发现一杯水和另一杯水发作干与或量子羁绊。接下来一个很天然的问题便是：量子（微观）和经典（微观）的边界到底在哪里？已然二者别离有一套完善的理论来准确地描绘，那它们该怎么联接呢？薛定谔——这位真实的“量子之父”——就曾提出了闻名的“薛定谔的猫”思维试验，用来阐释量子和经典放到一同会发作多么荒唐的成果——一只既死又活的、不幸的猫猫。
薛定谔的猫。假设咱们认为猫也能够用一个波函数来描绘，就会得出怪异的定论：咱们总能结构一种丈量，这种丈量之后，系统会塌缩到一个“死猫”和“活猫”的叠加态，而这显然是不被实践答应的
这种抵触，引领着第二代量子物理学家向包括更多粒子、粒子之间有着各种彼此效果的多体系统打开研讨。这显然是一个更赋有挑战性的作业，咱们应该都听说过三体问题：存在彼此效果的三体运动问题是混沌的，其运动极端杂乱，不能准确求解。更多的粒子岂不是灾祸？物理学家们奇妙地选用了其他办法，而不是根据初始条件和运动方程去求解。这其间最具创始性的莫过于玻尔兹曼，他最早从核算学的视点来考虑物理问题：即使咱们无法了解到每个粒子的运动细节，咱们也能够从其团体行为中获取信息。
玻尔兹曼没能活到参加量子力学大厦树立的黄金时代，他在同时代学术界的严峻成见中郁闷自杀了。但这不能阻挠核算物理在研讨多体问题和各种微观现象中取得巨大成功，更不能阻挠后来者站在他的膀子上持续前行。特别在超导现象呈现之后，这种微观量子效应迫使人们从另一个视点来调查凝集现象：抛开电子的个别行为，而来看它们的团体行为。这就比方在北京这样的超级城市，假设盯着每个个其他轨道看，你看到的是包括许多噪音和随机性的个别行为，而只需选用核算学的办法，站在更高的视角，才干发现其间的社会行为趋势。P.W. Anderson有一句名言：“More is different.”——多了就不相同了。其间颇含道理，无论什么彼此效果系统，多了之后就会有新的有序态呈现。固体中的电子、集体动物的社会性，一直到恒星聚成星系、星系聚成星系团、星系团组成杂乱的世界物质网。
而低温，让这些被热涨落掩盖的凝集现象一点点展示出来。当温度低于某种凝集现象的特征能量标准时，这种凝集现象就会表现出来，冷艳四座。空气，这种无形无相之物，当它逐步冷却，你会发现水开端凝集成冰，持续冷却，二氧化碳、氧气、氮气、氢气乃至氦气都会凝集。再持续冷却，其间还有新的现象等着你。
怎么取得低温？
关于一个孤立的多体系统，只需设法将其间的能量不断抽取出来，或者说坚持能量抽出的速度大于传入的，那么系统的温度就会持续下降。在现代有用技能中，完结低温的办法一般能够分为三大类。
一类是根据气体动力学将热持续地从低温端抽出，比方斯特林制冷机、G-M制冷机、脉冲管制冷机等；
另一类是直接选用低温冷剂来制冷；
还有一类则是运用某些物理化学现象，例如热电效应、顺磁效应、隧穿效应等
拿日常日子中的比方来说，咱们家家户户都有的冰箱和空调，就归于榜首类制冷技能；而咱们喝的冰可乐、冰咖啡，往往是往杯中扔一些冰块来制冷，这就归于第二类；至于第三类制冷方法，就我所知某些饮水机就选用“电子制冷”技能来取得凉水，运用的底子原理便是温差热电效应。
不同的温度区间适合于不同的制冷手法。自从空气液化技能和杜瓦技能老练之后，选用空气中最首要成分——氮气液化作为制冷剂，成为一种十分快捷有用的制冷技能。在常压下氮气的液化温度为77K，换算成摄氏度是-196度，意味着在这个温度以上，咱们都能够选用液氮来进行冷却。由于氮气太简略获取，液氮现在的本钱现已比超市的矿泉水还廉价，因而它的运用极为广泛。比方说，医学上常用液氮来对生物安排进行敏捷深度冷却，然后能够在不损坏生物活性的情况下长时间保存生物样本。中科院物理所的科技敞开日上，有一个网红科学小试验，便是将活蹦乱跳的小金鱼浸泡到液氮中，十余秒之后捞出（此刻已成冰疙瘩）再放入水中，不一会，这条小鱼就将从头康复生机。
关于更低的温度，比方零下250度，液氮就力不从心了。此刻咱们需求液化温度更低的气体来作为“冷媒”。前期用的较多的除液氮外还包括液氖（液化温度27.1K），液氢（20.3K）和液氦（4.2K）。现在液氖和液氢现已退出了历史舞台，只剩余液氮和液氦，这两种气体都具有较高的慵懒，运用起来十分安全。提到这儿，我想起来我刚进入物理所读研讨生时，程教师为咱们做试验安全训练，中心讲了一个故事，至今形象极深：
早年物理所低温技能确真实运用液氢。有一次，几位苏联专家发现一瓶已竭尽的液氢罐瓶口结了冰，所以就拿酒精灯烤，期望将冰化掉，成果......十分凄惨，他们过错地认为里边没有氢气了，但实践上有残留，而且有走漏，当酒精灯挨近时，巨大的爆破声响起，小楼被炸开大洞，几位专家当场逝世。还好其时思维教育会议特别多，听说咱们自己的科学家们都去其他楼学习了，幸免于难。
现在，低于液氮温度的简直全部制冷技能，都与氦（He）有关。氦气是一种十分轻的慵懒气体，它太轻了，以至于地球的引力底子抓不住它。现在大气层中氦气的天然含量约为百万分之五，这个浓度还将持续下降。氦气的液化温度为4.2K，而即使降到绝对零度，它也不会变成固体。通过下降液氦的蒸汽压，咱们还能够进一步下降液氦的温度（现在的技能大约能降至0.8K）。氦气还有一种同位素（3-He），它比一般氦原子少一个中子，可想而知它的丰度就更低了（由于地球引力更不行能捉住它），在天然氦气中3-He同位素占比仅约百万分之一，很难从天然界中别离出3-He来。不过从人工核反应（比方氢的同位素氚衰变后就变成了3-He）中能够取得满足的3-He。
液氦在温度下降到大约2.1K时会进一步发作相变，成为“超流体”，超流体的特点是简直没有粘滞性。在外表张力效果下，任何与液氦超流体触摸的器壁外表，都会爬上一层薄薄的氦膜，这是一个十分有意思的现象，不过现已超出本文的科普范围了，超流现象与一种新的凝集态——玻色-爱因斯坦凝集有关，有爱好的读者能够从其他材料中了解一下。1972年，D. D. 奥舍罗夫（Douglas Osheroff）等人在2mK低温下发现了两个3-He的液态新相，别离称为3He-A和3He-B，它们均为超流体。依照3-He份额多少，咱们将这两种相别离称为“浓相”（含3-He多些）和“稀相”（含3-He少些）。由于3-He要轻一些，所以浓相是浮在稀相上面的。人们进一步发现，3-He浓相的焓值（即系统所包括的总热量）要比稀相低，这就意味着，假设一个3-He原子从浓相“浸透”到稀相，就有必要从外界吸收一份额定的热量。这一现象，成为了现在商业上可取得的最低温技能——稀释制冷技能的底子原理。
稀释制冷机示意图，看似简略的结构内部极为精密，粗的管内部实践上有细密环绕的毛细管穿过，小小的混合室内部有密布的热交换结构
更为奇特的是，试验上发现，即使是温度到达绝对零度，浓相中依然能够保存约6.4%的3-He，意味着即使温度趋近绝对零度，依然能够坚持稀释制冷进程。这就使得稀释制冷成为一种能够运用到挨近绝对零度的制冷技能。现在，商用的稀释制冷机一般能够到达约10mK（仅比绝对零度高0.01度），试验室内通过优化乃至能够到达2mK以下。在这个温度下，热涨落的能量不到百万分之一电子伏，使得许多低能的凝集现象，以及具有超精密能级结构的系统量子行为得以让咱们一探其奥。
上一年，咱们的国家天然科学一等奖颁发给了以薛其坤院士为首的五位科学家，以赞誉他们在量子失常霍尔效应的试验发现上做出的杰出贡献。这一别致的量子现象就需求在极低的温度下丈量，丈量的环境便是由一台稀释制冷机供给。事实上，这个试验是在六年前完结的，其时国内的极低温测验环境十分稀缺，能够做出这样世界级的试验实属不易。
稀释制冷与量子核算
量子核算是一种全新的核算方法，运用量子力学的叠加性、羁绊性等原理，能够取得远高于经典核算机的核算才能。现在量子核算和量子通讯等最前沿的量子信息技能，成为当下科技界和工业界追捧的大热门，以谷歌和IBM公司为代表的科技企业投入许多资源进行量子核算机的研制，更是将量子核算机的研讨面向高潮。关于量子核算的科普完全能够作为另一个专题乃至是系列专题评论，网上也很简略找到不错的科普材料，在这儿暂时不做深化评论，咱们仍是聚集到量子核算与稀释制冷技能的联络上。
首要有两种类型的量子核算计划有必要依靠极低温环境：一种是超导量子核算，一种是根据半导体量子点的自旋量子核算。这两种技能计划之所以有必要要极低温，是由于它们都用到了极为精密的能级结构。以我了解的超导量子核算为例，它用到了约瑟夫森电路中超导相位的精密能级，在这种量子电路中，基态到榜首激发态的能量差对应的频率大约在4-6GHz（1GHz=10^9Hz），对应的波长大约为6cm。作为比照，咱们能够看一下可见光，绿光的波长大约为500nm，对应的频率大约为6x10^14Hz。因而量子核算中用到的光子能量比可见光要小5个数量级！
如此低能的能级，要想坚持其间量子态的相干性，环境中的噪声（涨落）就有必要远低于这个能级差，接着上面的比方，要想清楚地看到一个量子电路中量子态的相干演化，所需的环境温度需低至30mK以下，当然，越低越好。在这样的高要求下，现在人类把握的制冷技能底子挑选殆尽，就只剩余稀释制冷了。（当然，还有更为反常的制冷技能——核绝热去磁，关于量子核算而言又有点过剩。）
“首台”商用量子核算机IBM System One，如艺术品相同的玻璃罩里边，隐藏着一台稀释制冷机
我国的稀释制冷机
稀释制冷技能很早就商业化了，从1951年伦敦（ Heinz London）提出能够运用超流4-He稀释3-He来制冷的理论到现在，现已曩昔六十余年。到现在，稀释制冷机尽管仍是十分贵重的设备，但并不稀有了。我国从事低温输运、量子核算研讨的几个尖端团队，具有的稀释制冷机数量达十余台，使得我国在许多前沿根底研讨范畴坚持世界领先地位。但是，惋惜的是，我国现在在稀释制冷技能上仍是空白，据我所知，国内具有稀释制冷机的科研团队，所用制冷机不出牛津仪器、Bluefors、Janis和莱顿这四家，其间牛津在英国，Bluefors在芬兰，莱顿在荷兰，均在欧洲，Janis则在美国。
比较有意思的是，我国早年有一个团队——中科院理化所冉启泽先生团队，能够制作稀释制冷机，而且他们制作的制冷机还出口到了美国！很不幸的是，其时为了创汇，卖到美国的稀释制冷机极为廉价，仅约5000美金！时至今日，这个团队中的首要成员现已或逝世或退休，后边没有年轻人来持续他们的作业。个中原因，难以辨明，或许只能从那些仍健在的老科学家口悦耳到了。问题是，有多少人乐意听呢？
我在物理所读博士的时分，结识一位极精明能干的焊工，早年称号董教师，现在叫他“董哥”。他当年就参加了稀释制冷机的研制作业，其间十分杂乱的焊接使命，便是他完结的。很不幸的是，在他48岁那年遭遇横事，一辆对向行进的醉驾轿车发作侧翻，之后从空中翻滚飞过隔离带，砸向了他的车，董哥其时七窍流血，昏迷不醒。尽管后来抢救过来了，但因受伤部位刚好是大脑，他忘记了许多人和事，而且至今左臂和左脚行动不便。之前的擅长技艺，转瞬化为回想和谈资，不胜唏嘘！当年研制的稀释制冷机，气体办理操控部分现已整理退库了，现在只剩余一个制冷机主体，日日停放在角落里任尘土飘落。
冉启泽先生手稿
令人略感欣喜的是，跟着量子核算的“春风”吹过，国内总算有人重提研制稀释制冷机。广东省科技厅乃至发布一个专项，供给千万级其他项目，推进稀释制冷机研制。中船重工旗下的南京鹏力公司与ice-oxford公司协作，将为中科大打造一台“半国产”的稀释制冷机——其间的中心，稀释制冷模块，仍由外方公司供给。
稀释制冷技能是不是“卡脖子”技能？我无法判别，就现在而言，咱们仍是能够顺畅地买到心仪的稀释制冷机的。但我知道的是，假设有一天量子核算技能真的走向了有用，稀释制冷技能将迎来史无前例的商场。假设咱们现在不做，将来就会缺席。假设量子核算未来遇到瓶颈，走入低谷，假设咱们有自己的稀释制冷技能，信任国内极低温方面的物理探究仍将得到极大的促进。
那么，咱们的全国产稀释制冷机还有多远呢？诸君拭目而待吧！
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