好多东说念主王人据说过完全零度，还知说念完全零度等于-273.15 摄氏度。你有莫得思过bat365线上买球，为什么是“-273.15”？这个有零有整的数字是若何得到的？

另外，完全零度是仅存在于表面中的，那么东说念主类到目下为止大致达到的最低温度是些许？如何能达到接近完全零度的极低温度？

今天，就来跟大师盘考盘考这几个“冷常识”。

完全零度为啥是零下 273.15℃？

要思搞显着完全温度，咱们起先需要明确什么是温度，以及若何测量温度。

温度是形色冷热进度的基本物理量，亦然微不雅粒子领略的宏不雅阐发。同期，温度的计量主要行使不同温度下材料的性质变化，比如传统的温度计即是行使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（完全）温标等。在莫得温度计的古代，东说念主们意识到东说念主体温度基本恒定，亦然一种朴素的温度要领，并用于养蚕、发酵、会诊疾病等出产生计中对较高精度温度的赶走。

生计中使用规模比拟广的摄氏温标，是以水的冰点和沸点看成两个基准点，中间等百分比分散，每一份为 1℃。摄氏温宗旨发明东说念主是安德斯·摄尔修斯（Anders Celsius），他领先界说冰点为 100℃、沸点为 0℃，主若是为了冬季温度数值不出现负数。卡尔·冯·林奈（Carl von Linné）把柄试验使用民风，将冰点和沸点分别修正为 0℃ 和 100℃。这阐发，试验上摄氏温标是具有主不雅性的，它并莫得触及温度的内容。

安德斯·摄尔修斯，他领先制定的温标和咱们今天神用的摄氏温标其实是相悖的。（图片起原：Wikipedia）

表面上讲，找到一个最低温度，将其界说为 0，这么一来，任何低温王人不会是负数了——这个最低温度即是完全零度。初度提议完全零度见地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（图片起原：Hulton Archive）

阿蒙东通过空气温度计校准实验发现，“温度每镌汰一定值，空气压力也等比例镌汰”。由此估量，如果捏续镌汰温度，空气压力将在某一有限温度下跌至零。他估算的完全零度为-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，任何物资王人无法冷却至该温度以下”。他始创了热学定量考虑的先河，成为从当然形而上学向近代热物理学过渡的要道节点。

从微不雅角度领会，在恒定压力下，气体的体积跟着温度的镌汰而减轻，是以直不雅来看，当每个气体分子无穷接近的时候，气体的体积就不不错压缩了，温度也就不可能镌汰了，这个温度即是完全零度。通过在室温隔壁测量气体体积延伸与温度的关系，将呈现出的线性关系进行外推，不错估算出完全零度对应的摄氏度。

通过外推理思气体延伸的线性关系得到完全零度

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）的体延伸统共为 1/273.15——这默示在压强不变时，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，完全零度对应-273.15℃。之是以出现少量，主若是因为摄氏温标以水的冰点和沸点看成两个点，进行百分比分散的启事。

在东说念主类初度提议“温度存不才限”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，并论证了其遵守只取决于两个热源的“温度”，而与工质的性质无关。由此，他提议了一种不依赖任何物资特质的完全温宗旨见地，即热力学温标。

这种温标界说下的零点，即是责任物资在卡诺轮回中向冷源开释全部热量时的温度，即完全零度。

开尔文勋爵（图片起原：Wikipedia）

为顾忌开尔文的超卓孝敬，这种以完全零度为发轫的温标被定名为开尔文温标，其单元即是“开尔文”，标记为 K。开尔文温标与摄氏温宗旨刻度隔断是筹商的，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（完全零度）就成为了物理学中一切温度测量的真实原点。

摄氏温标（左）和开尔文温标（右）的数值换算关系

“寰宇中最冷的方位”……之一

固然完全零度在表面上是无法达到的，但东说念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励了零下 200℃ 足下低温技艺的发展，进而激励了向接近完全零度不休挑战的考虑。

2021 年 3 月，德国科学家行使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，过错为-7 或+6pK，通盘经由捏续 2 秒。这低于此前在实验室中创造过的通盘低温条目，因此该团队将其称为“寰宇中最冷的方位之一”。

看成对比，寰宇配景平均温度为 2.725 K（-270.425 ℃）。目下东说念主类不雅测到的寰宇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）（图片起原：参考文件[1]）

于 2018 年5月放射的好意思国冷原子实验室（Cold AtomLaboratory），目下报说念的最低温是52 pK（±10pK）。在接近完全零度时，原子险些罢手振动，达到一种称为玻色-爱因斯坦凝华态的现象——物资的第五种现象。科学家通过测量 BEC 的温度，进而贴近完全零度。在国外空间站冷原子实验室的微重力环境下，BEC 不错存在更长的时代。

好意思国国度航空航天局（NASA）的冷原子实验室（图片起原：NASA）

也许说有一个“最冷”并欠妥切。温度的世界记录触及科学、技艺、工程等方面的复杂性、真实性、客不雅性以及相对和洽的看法。

另外，从数据精度上，这些极低温均为障碍测量，通过原子密度或速率散布，遵命玻尔兹曼定律反算出温度，是以在 pK 级温度下的过错或不笃定度比拟大，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体式出现，把温度参加飞开级。

为什么咱们一直在追求低温？

对极低温度的追求，并不单是只是东说念主类对物理极限的挑战。杜瓦曾预言，越接近完全零度，温度要领下的“科学探索空间就越渊博”，也即是说在低温环境下蕴含着更多待发现的新物理。低温技艺如同“解锁当然”的钥匙。这是因为温度镌汰，物资的微不雅特质就暴线路本真的相貌。

跟着液氦温区低温制冷技艺的发展，东说念主们发现了超导等新的物理时势，每隔一段时代，就会有低温的关联考虑赢得诺贝尔奖。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王人离不开低温技艺。不错说，“创造低温，即是创造认识当然新的可能性”。

以量子筹画为例。“低温物理与信息处理具有先天和内在的关联”，当代低温技艺的发祥也恰是发展半导体信息技艺的需要。低温在量子筹画规模主要管制两方面问题。

量子筹画的上风源于量子力学赋予的并行性和纠缠性。与经典比特只可默示 0 或 1 不同，量子比特不错同期处于 0 和 1 的重复态。极低温环境是量子筹画的基础条目，且只好在毫开级（mK）温度下，量子比特才同期出现 0 和 1 的重复现象。

搞量子筹画的第一步——把“空调”开放，不外，温度要调到毫开级哦

量子筹画中部分场景用到的光子能量比可见光要小 5 个数目级。在如斯狡黠的能级，要思保捏其中量子态的相关性，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相关演化，所需环境温度一般需低至 30 mK 以下，越低越好。

更紧要的是，量子筹画的实用化需要管制量子比特的雄厚性和纠错贫窭。量子比特极易受环境搅扰，发生退相关效应则导致信息丢失。实验炫耀，目下单量子比特运算弱点率已降至 0.000015%（十分于每进行 670 万次操作才出现一次弱点），这一遵守为量子筹画自在实用需求奠定了紧要基础。为升迁量子比特的安全性等，往往需要环境温度远低于 100 mK，10 mK 稀释制冷机相似是超导量子筹画机的标配。

咱们考虑啥？把“始终气体”变液体

说到低温技艺，不可不提一种气体——氦气。

氦气是沸点最低的气体，依然被觉得是“始终气体”。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“始终气体”的一场技艺竞赛，在这个经由中，巧合发现了超导时势，产生了经典物理学以外的新物理。不错说，液氦是开放非常经典物理的量子世界大门的一把钥匙。

从普通 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），会发生非常经典物理无法证明的物理挽回，主要阐发为液体将险些失去粘性，导热性能急剧升高（是铜的 800 倍）等。

超流氦内容上是一种宏不雅要领下可平直不雅测的量子效应，冲破了 “量子时势只存在于微不雅粒子” 的常认识。直白来说，通盘超流氦液体即是一个“大的宏不雅量子粒子”，其流动、导热等活动，不再遵命经典表面，而是遵命量子力学法规。这种量子性质使其常用作先进高能物理考虑的冷却介质。

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

液氦温区低温制冷和雪柜空调的基甘愿趣访佛，亦然通过制冷剂的热力学轮回，杀青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，导致管说念堵塞而无法轮回，是以氦气往往看成 1.8 K~20 K（-271℃~-253℃）制冷系统的责任介质。

临了，共享一丝咱们中国科学院理化技艺考虑所在低温制冷方面的一些责任。咱们所主要关心液氢温度（20K）以下的多样低温技艺。浮浅来说，即是通过将氦气压缩—延伸—节流的样式，将氦气移动为液氦。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出产五吨液氢的氢液化器（2023年，图片起原：作家提供）

液氦温区万瓦级氦制冷机模子（起原：新华社）

寰球产5吨/天氢液化器（模子）在中国科学院科学节展出（图片起原：作家提供）

上图是我国首套氢延伸 5 吨/天氢液化系统模子。液氢产能 5 吨是什么见地呢？把柄公开贵寓，有“冰箭”好意思誉的长征五号 B 输送火箭的芯一级液氢加注量约为 24.7 吨。这套开荒比目下某现场液氢燃料出产要大一倍，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，低温制冷应用黑白常平方的，翌日可能催生好多紧要突破，最典型的代表是可控核聚变、粒子物理和超导考虑等方面，让咱们全部期待。

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. 125bat365线上买球,19 (2020): 191101. doi:10.1103/PhysRevLett.125.191101