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发布时间：2019-02-08加入收藏来源：互联网点击：

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炎热的夏天，我们视空调为救世主，如今的城市人恐怕难以想象没有空调的日子会怎样。坐在屋内享受凉风吃冰西瓜的时候，大家有没有想过这份“冰爽”是怎么来的？物理学家和工程师们是怎么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，系统的熵达到一个定值——零。好，我们就要这个温度！

我们为什么要关注极低温下的世界呢？事实上，我们的宇宙从一开始就在不断的冷却，直到今天只有约2.7K的温度。随着时间推移，宇宙会进一步冷却直至绝对零度，归于寂。然而，正是在这个冷却的过程中，被环境温度所掩盖的各种凝聚现象得以逐步展现，形成各种复杂的物质和材料，构成我们多姿多彩的世界。当温度逼近绝对零度时，我们甚至发现，那里隐隐藏着改变世界的力量！今天就向大家介绍一下这些科学研究的基础——创造低温环境的低温技术。

撰文 | 无邪（量子计算领域从业人员）

一个世纪之前，莱顿大学的昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）教授第一次将氦气液化，从此打开了极低温物理世界的大门。昂内斯本人也因此而发现汞的超导电，成为超导第一人。百年来，低温技术不断进步，减压降温、3-He制冷、绝热去磁、稀释制冷等技术逐步出现并商业化，使得温度环境从4.2K逐步推进到1K、500mK、100mK直至10mK以下。

如今，低温技术在材料和基础物理研究中如此之普及，以至于很多科学家无法关注低温技术本身，或认为其理所当有——就如真空技术一样。今天写这篇关于低温，特别是极低温获取技术的普及篇，正是希望更多的人能给予低温技术更多的关注，这将有利于低温技术在国内的进一步发展。

我们为什么需要低温？

混沌初开，我们的宇宙从大爆炸开始，就在不断降温。在这个降温过程中，四种基本的相互作用力分出来了，各种基本粒子分出来了，原子得以形成，物质得以凝聚，星系得以成型......经过了上百亿年的膨胀、冷却，终于成为了现在这个样子。到现在为止，创世之初留下的遗迹，也就是宇宙“微波背景辐射”无处不在。宇宙从爆炸之初极高的温度——连基本作用力都无法区分——冷却到现在微波背景辐射仅2.7K的温度。

可以预见的是，这种冷却还将继续下去。曾经有人（开尔文勋爵，就是上文中温度单位K所致敬的科学家）预言，宇宙终有一日会变成一片寂，没有光，没有任何运动，因为那时整个宇宙的温度将降至绝对零度——一个能将所有的运动冻结的温度。当然，后来的量子力学告诉我们，涨落是永恒的，即便是绝对零度，仍然会存在量子涨落，粒子仍然会动，光仍然会产生、湮灭。然而，宇宙走向冷却的趋势是不可阻挡的，热力学第二定律的步伐无比坚定，我们的太阳终将黯淡，我们的地球终将失去光明，变成绝望的地狱。

宇宙微波背景辐射。原初光子在宇宙膨胀过程中不断红移，相当于宇宙在不断降温。到今天，这种背景辐射的特征与温度为2.7K的黑体辐射相同 | 图片来源：NASA/WMAP

我们来仔细看看这个冷却过程中发生了什么？当温度足够高的时候，一切粒子都是游离状态，它们碰撞、结合，又分离......世界一片混沌。只有当温度降低之后，质子才终于能俘获电子形成氢原子，进一步冷却之后，这些原初的粒子才得以在引力作用下聚合成团，形成恒星这种造物发动机。当恒星内部聚合反应所释放的能量不足以支撑引力时，恒星将会爆炸，喷射出大量重元素。这些重元素在恒星外部的低温环境下重新聚合，分子和晶体开始形成，最终组成行星，比如我们的地球。地球进一步冷却之后，生命终于得以诞生并延续至今。

整个过程中，我们可以看到一条基本的线索：温度在逐步降低，新的凝聚现象则随之逐级发生。从物理学角度看，这是不同的对称逐渐发生破缺。那我们不禁要问：如果温度进一步降低，还会有哪些凝聚现象会发生？这些新的凝聚现象及其引发的效应，能否为我们带来好处？这是凝聚态物理学家们思考的永恒主题，也是低温技术发展永远的原动力。

低温与量子力学

量子力学的开创与发展，起初与低温没有多少关系。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，因此在室温下就能表现出各种奇妙的量子现象。随着物理学探索进一步向更微观的世界发展，与低温更是渐行渐远，因为打开基本粒子的魔盒，往往需要更高的能量。然而，我们的现实世界终究是宏观的，我们接触到、感知到的，无一不是宏观的物体。既然量子力学能够主导微观世界，而宏观物体又无一不是由微观粒子堆砌而成，那么量子力学又是如何影响宏观世界的呢？

早期的物理学家悲观地发现，一旦进入宏观世界，量子效应就“消失”了。我们不可能用薛定谔方程来求解一杯水是如何形成的，更不可能发现一杯水和另一杯水发生干涉或量子纠缠。接下来一个很自然的问题就是：量子（微观）和经典（宏观）的界限到底在哪里？既然二者分别有一套完善的理论来精确地描述，那它们该如何衔接呢？薛定谔——这位真正的“量子之父”——就曾提出了著名的“薛定谔的猫”思想实验，用来阐释量子和经典放到一起会产生多么荒谬的结果——一只既又活的、可怜的猫猫。

薛定谔的猫。如果我们认为猫也可以用一个波函数来描述，就会得出诡异的结论：我们总能构造一种测量，这种测量之后，系统会塌缩到一个“猫”和“活猫”的叠加态，而这显然是不被现实允许的

这种冲突，引领着第二代量子物理学家向包含更多粒子、粒子之间有着各种相互作用的多体体系展开研究。这显然是一个更富有挑战的工作，大家应该都听说过三体问题：存在相互作用的三体运动问题是混沌的，其运动极其复杂，不能精确求解。更多的粒子岂不是灾难？物理学家们巧妙地采用了其他方法，而不是基于初始条件和运动方程去求解。这其中最具开创的莫过于玻尔兹曼，他最早从统计学的角度来思考物理问题：即便我们无法了解到每个粒子的运动细节，我们也可以从其集体行为中获取信息。

玻尔兹曼没能活到参与量子力学大厦建立的黄金时代，他在同时代学术界的严重偏见中抑郁了。但这不能阻挡统计物理在研究多体问题和各种宏观现象中取得巨大成功，更不能阻挡后来者站在他的肩膀上继续前行。特别在超导现象出现之后，这种宏观量子效应迫使人们从另一个角度来观察凝聚现象：抛开电子的个体行为，而来看它们的集体行为。这就好比在北京这样的超级城市，如果盯着每个个体的轨迹看，你看到的是包含大量噪音和随机的个体行为，而只有采用统计学的方法，站在更高的视角，才能发现其中的社会行为趋势。P.W. Anderson有一句名言：“More is different.”——多了就不一样了。其中颇含哲理，无论什么相互作用体系，多了之后就会有新的有序态出现。固体中的电子、群体动物的社会，一直到恒星聚成星系、星系聚成星系团、星系团组成复杂的宇宙物质网。

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