第一章 踏上通往绝对零度的道路

绝对零度，冷的极点，-273.15℃，0K，一个冷寂而绚丽的世界。

追寻绝对零度，征服低温，人类已经走过几千年的历程。低温科学成为当今最活跃的前沿学科之一，低温技术的应用也成为我们生活中不可缺少的一部分。

人类一直面临“冷”的挑战。为了能在寒冷的气候生存，早期的人裹兽皮、居洞穴、取火御寒；现代的人穿羽绒服、建房屋、装暖气，生产活动的一项主要内容仍然是防寒。随着人抵御寒冷能力的提高，人类的活动范围也日益扩大。人的足迹不断向更寒冷的地区扩展，一直深入到终年冰天雪地的北极和南极圈内。

寒冷给人的生存造成巨大的威胁，却也给人带来福利。在漫长的岁月里，寒冷季节的冰雪无疑曾做过古人类天然的大冷库，为我们的先祖无偿储藏过捕获的猎物和采集的食物。人们由消极地抵御冷，进而有意识地利用冷、制造冷。

公元前1000年，古中国人最先采集天然冰储冰制冷，创造了人造低温的第一个纪录0℃，翻开了人工制冷的第一页。在数千年的历史期间，能在炎热的夏季享用凉爽的冰是身份地位甚至皇权的象征。

16世纪以前，人们已经发现掺盐的冰更冷，人造低温进而超越了0℃，实现了人工制冰。早期大批量生产雪糕就采用冰盐混合物快速冷冻的方法。选择适当的配比，冰盐混合物方法制冷可以达到-55℃的低温，已经超过了大部分人类生存的地方可以感受到的低温。

1834年，帕金斯发明第一台乙醚蒸气压缩式冷冻机，标志着机械制冷登上历史舞台。1875年林德发明氨压缩机，冷冻机开始大规模工业应用。人们终于圆了多年的梦想，实现了易腐食品的远距离运输和长时间保鲜储存。冷冻、冷藏极大地减少了农牧渔产品的损失，提高了食品的品质。在过去的一个多世纪，人类不得不面对地球上人口爆炸和城市化加剧的严重局面，冷藏业成为保证人类食品安全的重要因素。应用氨作制冷剂，它的标准蒸发温度达到-33.4℃，而用氟利昂14作制冷剂，其标准蒸发温度为-128℃，最低蒸发温度低达-140℃，人造低温超越了地球上的最低温度纪录——-89.2℃。

1877年，凯利代特和皮克代特几乎同时液化了当时认为不可能液化的“永久气体”中的氧，取得了-183℃的低温，揭开了人类征服低温历史的新一页。1898年杜瓦首次制得20mL的液态氢，将人造低温推进到-252℃。1908年，昂尼斯攻克永久气体的最后一个堡垒，氦被液化，他得到-269℃的低温。1932年，基瑟姆用液氦减压蒸发的方法获得0.7K的低温。人造低温已经低于太阳系大行星的最低温度（海王星，-223℃）、星际空间的温度（宇宙背景辐射，2.7K）和我们现在所知的宇宙中存在的最低温度（布莫让星云，1K）。20世纪，空气液化发展成空气分离和制氧工业，廉价纯氧和纯氮的制取极大地推动了钢铁、化学工业的发展，液氢和液氧则是重要的航天燃料。气体工业成为国民经济的支柱产业。

1933年，吉奥克成功利用顺磁盐的磁热性质实现磁制冷，磁冷却温度达到0.53K。磁制冷成为获取低于1K超低温的重要方法，定型的磁制冷机可以方便地得到毫开（1mK=10-3K）级的低温。1956年，西蒙进而利用原子核的磁性质实现了核绝热去磁制冷，得到核自旋系统温度为20μK（1μK=10-6K）的低温。现在科学家们利用这一技术可以实现样品的晶格温度达30nK（1nK=10-9K），而核自旋温度达100pK（1pK=10-12K）。

1964年，奥波特和塔克尼斯制成第一台3He-4He稀释制冷机，他们当时只达到0.2K。现在成批生产的3He-4He稀释制冷机已成为实验室获取毫开级温度的常用设备。

更低的温度是利用激光制冷取得。1985年，朱棣文用激光冷却和陷俘原子的方法使钠原子气体达到240mK。1990年，威曼和康奈尔等在磁光阱中对原子进行激光冷却，然后将原子转移到磁阱中蒸发冷却达到170nK的温度，成功地观测到玻色—爱因斯坦凝聚态，解决了困扰物理学界几十年的难题。最新的低温纪录2003年诞生在麻省理工学院，科学家们用激光制冷和“重—磁阱”结合的方法将钠原子气体冷却到了0.5nK，也就是绝对零度以上仅℃的低温，人类终于挺进到纳开以下的温度区间。

在低温世界，物质呈现与常温下非常不同的一些性质。1911年昂尼斯发现超导电性，1937年卡皮查发现超流动性，这是物质在低温条件下显示的两个最奇妙的性质。低温也成为科学家揭示物质世界本性不可替代的工具，宇称不守恒定律的实验验证、微观粒子的许多重大科学发现都是在低温条件下作出的。

一部征服低温的历史，生动地记述了人类文明的进步。

适宜于人类生存的温度范围是极其狭窄的，但今天人造低温的纪录不仅超越了地球，也超越了宇宙。

我们就从这里开始，循着前人的足迹，踏上通往冷的极点——绝对零度的道路。

请记住我们的目的地：0K——-273.15℃。