“绝对零度”能达到吗？——气体液化、稀释制冷与氦3

以下文章来源于返朴   ，作者无邪

撰文  |  无邪

绝对零度，是这个宇宙中能够达到的最低温度，因为在这个温度下，所有的物体将被彻底冻结，组成物质的原子、分子将完全静止下来。  

物理学中的温度  

我们来看看温度这个概念，从物理学角度来讲，它就不再是冷热程度那么简单了。我们日常接触到的物质，如一杯咖啡、一本书、一把椅子，他们都是由非常非常多的原子或分子组成的。在一杯静置的水中，其实里面的分子是躁动不安的，时时刻刻想摆脱周围分子的束缚。处于表面的一些分子的确能成功地逃逸出来，获得自由，这个过程就是“蒸发”。当温度达到100℃的时候，水分子变得如此暴躁，以至于内部的一些分子也开始大量逃脱，形成气泡又很快破裂，于是就形成了“沸腾”现象。

沸腾丨图片来源：passionpatisserie.fr

从这里，我们就能体会到，温度，是表示原子或分子“不安”程度的物理量。这种不安分，可以用热运动的能量，或者说动能来描述。

物质中存在着很多相互作用，也就是力。我们已知的力包括强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用。在我们日常生活这个层面上，展现的最多的是电磁相互作用。所有这些力与物质的热运动以及其他形式的力相互竞争，一旦某一种力占据优势时，物质就会形成一种新的有序结构 （并相应地失去一些对称性，这就是所谓的对称性破缺） 。因此，随着温度的变化，物质会逐级展现出不同的现象，这是物理学最奇妙的地方。

举两个例子，根据现有的标准宇宙模型，我们的宇宙始于一场大爆炸，大爆炸之初，由于温度极高，所有的力都是统一的。随后温度从10 ³² ℃ （普朗克温度） 迅速下降到10 ²⁷ ℃，引力开始分离出来，然后是强力，最后是电磁力和弱力。在这个过程中，先是电子、光子、夸克等形成，然后夸克凝聚成质子、中子等基本粒子，再之后进一步冷却，质子、中子又凝聚成原子核，再之后原子核俘获电子，形成原子。再进一步冷却，不同原子通过外层电子的相互作用，又形成了千奇百态的分子。这些物质最终构成了我们的宇宙万物，到今天，整个宇宙已经冷却到了只有2.7K （微波背景辐射温度）（K是绝对温标，以绝对零度作为0K，我们日常生活温度大约是300K） ，也就是大约-270℃。但故事没有结束，宇宙还将继续冷却，直至逼近“绝对零度” （谁也不知道宇宙会不会有那一天，到那一天又会如何？） 。

另一个例子是超导现象。常温下，金属中的电子以非常高的速度做随机的热运动，有多快呢？大约是8万米/秒。 （电子还有一个由量子力学效应——泡利不相容原理决定的费米速度，比热运动速度要高两个数量级，在这里可以先不考虑。） 另一方面，电子在晶格中运动导致的晶格畸变会形成一个约束能，大约在毫电子伏 （meV） 量级。随着温度降低，热运动速度也逐渐降低，当热运动的动能低于上述约束能时，电子就会受这个约束能影响而“配对”，变成“玻色子”。而玻色子由于不受泡利不相容原理影响，又可以进一步凝聚到基态，于是，就发生了所谓“超导”相变。相变之后，电流就由这个超导凝聚相来承载了，于是就有了零电阻效应和完全抗磁效应，它们为很多应用提供了特别好用的物理工具。比如说磁体，我们现在终于可以绕制出超强磁场 （超过20特斯拉） 的磁体，医院里的核磁共振成像设备，用的就全都是超导磁体；再比如，超导量子干涉仪，可以探测极其微弱的磁场；还有超导量子比特，这是目前最有前景的量子计算技术方案之一。

气体液化之路  

法国人卡耶泰 （Louis Paul Cailletet，1832-1913） 液化了氧气和氮气，他用到了一个重要的效应——焦耳-汤姆森效应 （Joule–Thomson effect） 。现在的稀释制冷机中，有一个重要的部件就叫“焦汤换热器”，是将氦气液化的重要环节。氮气液化将低温极限推到了-196℃ （77K） 。但更重要的人物是杜瓦 （James Dewar，1842-1923） 。现在的低温储罐，我们一般就叫作“杜瓦”，就是他发明了这种可以长久保存低温液体的真空绝热瓶。杜瓦的重要贡献是液化了氢气，采用的方法是逐级液化降温：先将容易液化的气体液化 （当时他用的是CH ₃ Cl） ，然后做节流膨胀进一步降低温度，再将另一种更难液化的气体 （比如C ₂ H ₄ ） 通入其中使其液化，再节流膨胀降温，依次而行，最终得到了-260℃的低温。

杜瓦未完成氦气的液化，而接过这一棒的，是昂内斯，他当时是荷兰莱顿大学的物理实验室负责人。昂内斯利用汉普森-林德循环 （Linde-Hampson cycle） 、低温杜瓦和焦耳-汤姆逊效应，成功将氦气液化了，后来利用减压降温技术，又进一步推进到了1.5K，约-272℃。

氦液化技术成熟之后，液氦就成为了目前应用最为普遍的低温制冷液体，除了温度低的原因外，更重要的氦气是惰性气体，无毒无害，不会爆炸。

昂内斯（右）和他的首席技师Gerrit Flim，在 Kamerlingh Onnes莱顿实验室氦液化器前。丨图片来源：Leiden Institute of Physics.

冲击绝对零度  

不过，1.5K距离绝对零度还有一段距离，冲击绝对零度的路还远未结束。氦气有一种同位素氦3 （ ³ He） ，它包含两个质子、一个中子。氦3在自然界的相对丰度仅百万分之一 （1.38x10 ^-6 ） ，它其实是核聚变非常理想的燃料，但自然界的含量实在太低了，做燃料不太现实。据说月球和水星上有较多的氦3，但开采也许得是几十上百年以后的事情了。在极低温的这“最后一公里”上，氦3的作用就非常大了，简直就是上天馈赠。

首先氦3的液化温度更低，通过对氦3的减压降温，可以将温度进一步推至0.3K。并且，氦3溶解在氦4 （也就是普通的液氦） 中，当温度降低到大约0.8K以下时，会发生两相分离，形成一个浓相和一个稀相，而当氦3原子穿过两相分离的界面时，会带走一部分热量，这个过程理论上可以一直持续到绝对零度。这就成为了目前固体极低温获取的最重要技术——稀释制冷技术的基础。稀释一词的含义也正在此。稀释制冷可以将温度降至几个mK，且已经商业化。

随着量子计算的发展，稀释制冷机的需求量大大增加，已经有很多国内的科学家意识到发展自主可控的稀释制冷机的必要性。

中国科学院物理研究所无液氦稀释制冷机原型丨图片来源：cas.cn

正所谓稀释制冷机可得，氦3不可得， 实际上真正卡脖子的地方不在“稀释制冷”而在氦3 ，毕竟稀释制冷技术诞生至今已经超过半个世纪了。 但氦3是一种几乎无法自然提取的资源，全世界仅有美国和俄罗斯有商业化生产氦3的能力，大部分都是配额供应。如今，美国连同欧洲对我国氦3供应全面禁止，我们的氦3来源变成了俄罗斯独家，假如量子计算真的兴起，且不提根本供应不起，这独家供应本身就是一个极大的风险。

到此，我们的绝对零度之旅就告一段落了。我们是不是还可以将温度降到更低？答案是肯定的。不过 永远也到不了绝对零度，这是热力学第三定律的核心内容，本质上，是因为这个宇宙中不存在真正完全孤立的系统 。科学家通过对很少量的原子系综做激光减速和蒸发，可以将其温度降低至微K量级，这就是超冷原子。冷原子是另一个很有意思的量子计算/量子模拟候选体系，超出了我的知识范围，就不做探讨了。

科学家的低温之旅还会继续。

• 0人已收藏

• 0人已打赏

  免费
• 0人已点赞

• 分享

  复制链接 新浪微博 微信扫一扫