好多东谈主都传闻过皆备零度，还知谈皆备零度等于-273.15 摄氏度。你有莫得思过，为什么是“-273.15”？这个有零有整的数字是如何得到的？

另外，皆备零度是仅存在于表面中的，那么东谈主类到现时为止概况达到的最低温度是若干？如何能达到接近皆备零度的极低温度？

今天，就来跟各人商议商议这几个“冷常识”。

皆备零度为啥是零下 273.15℃？

要思搞昭着皆备温度，咱们起先需要明确什么是温度，以及怎么测量温度。

温度是形色冷热进度的基本物理量，亦然微不雅粒子通顺的宏不雅推崇。同期，温度的计量主要期骗不同温度下材料的性质变化，比如传统的温度计等于期骗水银随体积随温度变化制成的。

温度计量的基准体系称为温标，举例华氏温标、摄氏温标和开尔文（皆备）温标等。在莫得温度计的古代，东谈主们意识到东谈主体温度基本恒定，亦然一种朴素的温度模范，并用于养蚕、发酵、会诊疾病等分娩生存中对较高精度温度的遏抑。

生存中使用规模相比广的摄氏温标，是以水的冰点和沸点看成两个基准点，中间等百分比分歧，每一份为 1℃。摄氏温主义发明东谈主是安德斯·摄尔修斯（Anders Celsius），他率先界说冰点为 100℃、沸点为 0℃，主如果为了冬季温度数值不出现负数。卡尔·冯·林奈（Carl von Linné）字据施行使用民俗，将冰点和沸点分别修正为 0℃ 和 100℃。这阐述，施行上摄氏温标是具有主不雅性的，它并莫得触及温度的实质。

安德斯·摄尔修斯，他率先制定的温标和咱们今天神用的摄氏温标其实是相背的。（图片开始：Wikipedia）

表面上讲，找到一个最低温度，将其界说为 0，这么一来，任何低温都不会是负数了——这个最低温度等于皆备零度。初度提倡皆备零度倡导的科学家是法国物理学家纪尧姆·阿蒙东（Guillaume Amontons）。

阿蒙东展示他在1690年的一项发明（图片开始：Hulton Archive）

阿蒙东通过空气温度计校准实验发现，“温度每缩短一定值，空气压力也等比例缩短”。由此臆测，如果握续缩短温度，空气压力将在某一有限温度下落至零。他估算的皆备零度为-240℃，此时气体压力将为零。

阿蒙东指出，“气体压力不可能为负值，因此势必存在一个最低温度，任何物资都无法冷却至该温度以下”。他始创了热学定量斟酌的先河，成为从自然形而上学向近代热物理学过渡的关节节点。

从微不雅角度富厚，在恒定压力下，气体的体积跟着温度的缩短而削弱，是以直不雅来看，当每个气体分子无尽接近的时候，气体的体积就不不错压缩了，温度也就不可能缩短了，这个温度等于皆备零度。通过在室温隔邻测量气体体积彭胀与温度的关系，将呈现出的线性关系进行外推，不错估算出皆备零度对应的摄氏度。

通过外推理思气体彭胀的线性关系得到皆备零度

科学家经过精准测量得出，温度为 0℃ 时，常见气体（如氮气、氦气等，在室温下可视为接近理思气体）的体彭胀总计为 1/273.15——这暗示在压强不变时，温度每升高 1℃，其体积相对变化量约为 0℃ 时体积的 1/273.15。

由此反推得出，皆备零度对应-273.15℃。之是以出现少量，主如果因为摄氏温标以水的冰点和沸点看成两个点，进行百分比分歧的起因。

在东谈主类初度提倡“温度存鄙人限”科学猜思的 150 年后，开尔文勋爵（即威廉·汤姆森，William Thomson）受卡诺轮回表面的启发，构思了一个理思的热机轮回，并论证了其效能只取决于两个热源的“温度”，而与工质的性质无关。由此，他提倡了一种不依赖任何物资特色的皆备温主义倡导，即热力学温标。

这种温标界说下的零点，等于责任物资在卡诺轮回中向冷源开释全部热量时的温度，即皆备零度。

开尔文勋爵（图片开始：Wikipedia）

为缅想开尔文的超卓孝顺，这种以皆备零度为起先的温标被定名为开尔文温标，其单元等于“开尔文”，象征为 K。开尔文温标与摄氏温主义刻度绝交是疏导的，即1K的温度差等于 1℃ 的温度差，它们的换算关系为：T(K) = t(℃) + 273.15。从此，0 K（皆备零度）就成为了物理学中一切温度测量的信得过原点。

摄氏温标（左）和开尔文温标（右）的数值换算关系

“天地中最冷的场合”……之一

自然皆备零度在表面上是无法达到的，但东谈主类从未毁灭对极限的追求。在历史上，工业对多数低价氧的需要鼓吹了零下 200℃ 傍边低温技巧的发展，进而激发了向接近皆备零度束缚挑战的斟酌。

2021 年 3 月，德国科学家期骗磁化拘谨铷原子气体云从122米高的不来梅大学落塔上落下（创造微重力环境），达到 38pK(38×10-12K)的极寒温度，差错为-7 或+6pK，总计这个词经过握续 2 秒。这低于此前在实验室中创造过的总计低温条目，因此该团队将其称为“天地中最冷的场合之一”。

看成对比，天地布景平均温度为 2.725 K（-270.425 ℃）。现时东谈主类不雅测到的天地中最冷的自然天体是距地球约5000光年的布莫让星云（Boomerang Nebula），温度低至 1 K（- 272 ℃）。

38 pK的磁化气体（左）和不来梅塔（右）（图片开始：参考文件[1]）

于 2018 年5月辐射的好意思国冷原子实验室（Cold AtomLaboratory），现时报谈的最低温是52 pK（±10pK）。在接近皆备零度时，原子险些罢手振动，达到一种称为玻色-爱因斯坦凝合态的景况——物资的第五种景况。科学家通过测量 BEC 的温度，进而靠拢皆备零度。在国外空间站冷原子实验室的微重力环境下，BEC 不错存在更长的期间。

好意思国国度航空航天局（NASA）的冷原子实验室（图片开始：NASA）

也许说有一个“最冷”并欠妥切。温度的世界记录触及科学、技巧、工程等方面的复杂性、确凿性、客不雅性以及相对长入的看法。

另外，从数据精度上，这些极低温均为盘曲测量，通过原子密度或速率散布，死守玻尔兹曼定律反算出温度，是以在 pK 级温度下的差错或不细目度相比大，52 pK 与 38 pK 大约处于归并区间。

当今思要得到一个最低温的世界记录，最理思的收尾是有新的智商出现，把温度投入飞开级。

为什么咱们一直在追求低温？

对极低温度的追求，并不单是只是东谈主类对物理极限的挑战。杜瓦曾预言，越接近皆备零度，温度依次下的“科学探索空间就越渊博”，也等于说在低温环境下蕴含着更多待发现的新物理。低温技巧如同“解锁自然”的钥匙。这是因为温度缩短，物资的微不雅特色就暴傲气本果真形状。

跟着液氦温区低温制冷技巧的发展，东谈主们发现了超导等新的物理怡悦，每隔一段期间，就会有低温的筹划斟酌得回诺贝尔奖。粒子物理科学、量子物理、材料科学和生物医学等微不雅结组成像都离不开低温技巧。不错说，“创造低温，等于创造领路自然新的可能性”。

以量子计较为例。“低温物理与信息处理具有先天和内在的关联”，当代低温技巧的发祥也恰是发展半导体信息技巧的需要。低温在量子计较规模主要惩办两方面问题。

量子计较的上风源于量子力学赋予的并行性和纠缠性。与经典比特只可暗示 0 或 1 不同，量子比特不错同期处于 0 和 1 的访佛态。极低温环境是量子计较的基础条目，且只消在毫开级（mK）温度下，量子比特才同期出现 0 和 1 的访佛景况。

搞量子计较的第一步——把“空调”灵通，不外，温度要调到毫开级哦

量子计较中部分场景用到的光子能量比可见光要小 5 个数目级。在如斯狡滑的能级，要思保握其中量子态的关系性，环境中的噪声（涨落）就必须远低于这个能级差。如果明晰地看到一个量子电路中量子态的关系演化，所需环境温度一般需低至 30 mK 以下，越低越好。

更病笃的是，量子计较的实用化需要惩办量子比特的踏实性和纠错勤劳。量子比特极易受环境侵扰，发生退关系效应则导致信息丢失。实验傲气，现时单量子比特运算乌有率已降至 0.000015%（相称于每进行 670 万次操作才出现一次乌有），这一效果为量子计较满足实用需求奠定了病笃基础。为提升量子比特的安全性等，经常需要环境温度远低于 100 mK，10 mK 稀释制冷机往往是超导量子计较机的标配。

咱们斟酌啥？把“历久气体”变液体

说到低温技巧，不成不提一种气体——氦气。

氦气是沸点最低的气体，仍是被以为是“历久气体”。氦共有八种同位素，其中氦-4（⁴He）在常压下的沸点为4.2K（约-269℃）。

从 19 世纪末到 20 世纪初，科学界出现了挑战液化“历久气体”的一场技巧竞赛，在这个经过中，偶然发现了超导怡悦，产生了经典物理学除外的新物理。不错说，液氦是灵通卓绝经典物理的量子世界大门的一把钥匙。

从经常 4K 温度下的液氦到约 2.17K 温度下的超流氦-4（氦-3 超流温度为 2.5 mK），会发生卓绝经典物理无法证明的物理退换，主要推崇为液体将险些失去粘性，导热性能急剧升高（是铜的 800 倍）等。

超流氦实质上是一种宏不雅依次下可平直不雅测的量子效应，阻止了 “量子怡悦只存在于微不雅粒子” 的常领路。直白来说，总计这个词超流氦液体等于一个“大的宏不雅量子粒子”，其流动、导热等行动，不再死守经典表面，而是死守量子力学司法。这种量子性质使其常用作先进高能物理斟酌的冷却介质。

由于氦-3（³He）的超流温度很低，约 2.5 mK，因此也可期骗这个性质制作稀释制冷机，这是一种极低温制冷机，不错提供量子计较等需要的低温环境。

液氦温区低温制冷和雪柜空调的基快活趣类似，亦然通过制冷剂的热力学轮回，完了热量由低温环境向室温环境的移动。由于氦的沸点最低，在很低的温度下不会冻成冰，导致管谈堵塞而无法轮回，是以氦气经常看成 1.8 K~20 K（-271℃~-253℃）制冷系统的责任介质。

终末，共享一丝咱们中国科学院理化技巧斟酌所在低温制冷方面的一些责任。咱们所主要孤寒液氢温度（20K）以下的多样低温技巧。简单来说，等于通过将氦气压缩—彭胀—节流的方式，将氦气转化为液氦。氢气液化的旨趣与之一致。

氦气压缩机，用于国内第一套每天可分娩五吨液氢的氢液化器（2023年，图片开始：作家提供）

液氦温区万瓦级氦制冷机模子（开始：新华社）

宇宙产5吨/天氢液化器（模子）在中国科学院科学节展出（图片开始：作家提供）

上图是我国首套氢彭胀 5 吨/天氢液化系统模子。液氢产能 5 吨是什么倡导呢？字据公开尊府，有“冰箭”好意思誉的长征五号 B 运送火箭的芯一级液氢加注量约为 24.7 吨。这套缔造比现时某现场液氢燃料分娩要大一倍，这就意味着咱们为将来发展探月工程、火星探伤以及更远的深空探伤作念好了燃料供应准备。

总之，低温制冷应用短长常粗鄙的，将来可能催生好多病笃突破，最典型的代表是可控核聚变、粒子物理和超导斟酌等方面，让咱们沿路期待。

参考文件

[1] Asenbaum, Peter et al. Atom-Interferometric Test of the Equivalence Principle at the 10^{-12} Level. Physical review letters vol. 125,19 (2020): 191101. doi:10.1103/PhysRevLett.125.191101