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，归于死寂。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。
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性，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死寂，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。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，这是不同的对称性逐渐发生破缺。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。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——一只既死又活的、可怜的猫猫。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性的工作，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。这其中包括玻尔兹曼，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。不同的温度区间适合于不同的制冷手段。
自从空气液化技术和杜瓦技术成熟之后，采用空气中最主要成分——氮气液化作为制冷剂，成为一种非常便捷实用的制冷技术。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，我们都可以采用液氮来进行冷却。由于氮气太容易获取，液氮目前的成本已经比超市的矿泉水还便宜，因此它的应用极为广泛。
比如说，医学上常用液氮来对生物组织进行迅速深度冷却，从而能够在不破坏生物活性的情况下长期保存生物样本。
对于更低的温度，比如零下250度，液氮就无能为力了。此时我们需要液化温度更低的气体来作为“冷媒”。早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）。现在液氖和液氢已经退出了历史舞台，只剩下液氮和液氦，这两种气体都具有较高的惰性，使用起来非常安全。
目前，低于液氮温度的几乎所有制冷技术，都与氦（He）有关。氦气是一种非常轻的惰性气体，它太轻了，以至于地球的引力根本抓不住它。目前大气层中氦气的自然含量约为百万分之五，这个浓度还将继续降低。氦气的液化温度为4.2K，而即便降到绝对零度，它也不会变成固体。通过降低液氦的蒸汽压，我们还可以进一步降低液氦的温度（目前的技术大约能降至0.8K）。
氦气还有一种同位素（3-He），它比普通氦原子少一个中子，可想而知它的丰度就更低了（因为地球引力更不可能抓住它），在天然氦气中3-He同位素占比仅约百万分之一，很难从自然界中分离出3-He来。不过从人工核反应（比如氢的同位素氚衰变后就变成了3-He）中可以获得足够的3-He。
稀释制冷技术很早就商业化了，从1951年伦敦（Heinz London）提出可以利用超流4-He稀释3-He来制冷的理论到现在，已经过去六十余年。到如今，稀释制冷机虽然仍是非常昂贵的设备，但并不稀有了。我国从事低温输运、量子计算研究的几个顶级团队，拥有的稀释制冷机数量达十余台，使得我国在很多前沿基础研究领域保持世界领先地位。
然而，遗憾的是，我国目前在稀释制冷技术上仍是空白，据我所知，国内拥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，其中牛津在英国，Bluefors在芬兰，莱顿在荷兰，均在欧洲，Janis则在美国。
令人略感欣慰的是，随着量子计算的“东风”吹过，国内终于有人重提研发稀释制冷机。广东省科技厅甚至发布一个专项，提供千万级别的项目，推动稀释制冷机研发。中船重工旗下的南京鹏力公司与ice-oxford公司合作，将为中科大打造一台“半国产”的稀释制冷机——其中的核心，稀释制冷模块，仍由外方公司提供。
稀释制冷技术算不算“卡脖子”技术？我没法判断，就目前而言，我们还是可以顺利地买到心仪的稀释制冷机的。但我知道的是，假如有一天量子计算技术真的走向了实用，稀释制冷技术将迎来前所未有的市场。如果我们现在不做，将来就会缺席。假如量子计算未来遇到瓶颈，走入低谷，如果我们有自己的稀释制冷技术，相信国内极低温方面的物理探索仍将得到极大的促进。
那么，我们的全国产稀释制冷机还有多远呢？诸君拭目以待吧！