开云体育 这种温标界说下的零点-开云官网登录入口 开云KaiyunApp官网入口

许多东说念主王人别传过完全零度，还知说念完全零度等于-273.15 摄氏度。你有莫得思过，为什么是“-273.15”？这个有零有整的数字是如何得到的？

另外，完全零度是仅存在于表面中的，那么东说念主类到咫尺为止大概达到的最低温度是几许？如何能达到接近完全零度的极低温度？

今天，就来跟全球商议商议这几个“冷学问”。

完全零度为啥是零下 273.15℃？

要思搞显明完全温度，咱们首先需要明确什么是温度，以及若何测量温度。

温度是描写冷热进程的基本物理量，亦然微不雅粒子通达的宏不雅发达。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（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表率，并用于养蚕、发酵、会诊疾病等坐褥生涯中对较高精度温度的驱散。

生涯中使用规模比拟广的摄氏温标，是以水的冰点和沸点行为两个基准点，中间等百分比分歧，每一份为 1℃。摄氏温方向发明东说念主是安德斯·摄尔修斯（Anders Celsius），他率先界说冰点为 100℃、沸点为 0℃，主若是为了冬季温度数值不出现负数。卡尔·冯·林奈（Carl von Linné）左证履行使用风俗，将冰点和沸点分别修正为 0℃ 和 100℃。这讲解，履行上摄氏温标是具有主不雅性的，它并莫得触及温度的本色。

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。（图片开端：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——这个最低温度等于完全零度。初度提议完全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（图片开端：Hulton Archive）

阿蒙东通过空气温度计校准实验发现，“温度每裁减一定值，空气压力也等比例裁减”。由此算计，如果合手续裁减温度，空气压力将在某一有限温度着落至零。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”。他创举了热学定量商酌的先河，成为从当然形而上学向近代热物理学过渡的要道节点。

从微不雅角度清爽，在恒定压力下，气体的体积跟着温度的裁减而削弱，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，温度也就不可能裁减了，这个温度等于完全零度。通过在室温隔邻测量气体体积推广与温度的关系，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。

通过外推理思气体推广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）的体推广总共为 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℃。之是以出现一丝，主若是因为摄氏温标以水的冰点和沸点行为两个点，进行百分比分歧的启事。

在东说念主类初度提议“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，并论证了其遵循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点的完全温方向倡导，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，即完全零度。

开尔文勋爵（图片开端：Wikipedia）

为驰念开尔文的荒谬孝顺，这种以完全零度为最先的温标被定名为开尔文温标，其单元等于“开尔文”，符号为 K。开尔文温标与摄氏温方向刻度隔断是商酌的，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

“天地中最冷的场地”……之一

固然完全零度在表面上是无法达到的，但东说念主类从未销毁对极限的追求。在历史上，工业对大王人低价氧的需要激动了零下 200℃ 傍边低温工夫的发展，进而激发了向接近完全零度不休挑战的商酌。

2021 年 3 月，德国科学家期骗磁化敛迹铷原子气体云从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，谬误为-7 或+6pK，整个这个词经过合手续 2 秒。这低于此前在实验室中创造过的整个低温条目，因此该团队将其称为“天地中最冷的场地之一”。

行为对比，天地布景平均温度为 2.725 K（-270.425 ℃）。咫尺东说念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）（图片开端：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），咫尺报说念的最低温是52 pK（±10pK）。在接近完全零度时，原子简直住手振动，达到一种称为玻色-爱因斯坦凝合态的情景——物资的第五种情景。科学家通过测量 BEC 的温度，进而濒临完全零度。在国外空间站冷原子实验室的微重力环境下，BEC 不错存在更长的时刻。

好意思国国度航空航天局（NASA）的冷原子实验室（图片开端：NASA）

也许说有一个“最冷”并欠妥切。温度的世界记录触及科学、工夫、工程等方面的复杂性、实在性、客不雅性以及相对合股的看法。

另外，从数据精度上，这些极低温均为曲折测量，通过原子密度或速率漫步，征服玻尔兹曼定律反算出温度，是以在 pK 级温度下的谬误或不笃定度比拟大，52 pK 与 38 pK 大约处于肃清区间。

当今思要得到一个最低温的世界记载，最理思的驱散是有新的法子出现，把温度干预飞开级。

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，温度步调下的“科学探索空间就越巨大”，也等于说在低温环境下蕴含着更多待发现的新物理。低温工夫如同“解锁当然”的钥匙。这是因为温度裁减，物资的微不雅特点就暴表示本真的神气。

跟着液氦温区低温制冷工夫的发展，东说念主们发现了超导等新的物理风物，每隔一段时刻，就会有低温的商酌商酌得到诺贝尔奖。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工夫。不错说，“创造低温，等于创造分解当然新的可能性”。

以量子设想为例。“低温物理与信息处理具有先天和内在的关联”，当代低温工夫的发祥也恰是发展半导体信息工夫的需要。低温在量子设想限度主要处置两方面问题。

量子设想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 的重叠态。极低温环境是量子设想的基础条目，且唯有在毫开级（mK）温度下，量子比特才同期出现 0 和 1 的重叠情景。

搞量子设想的第一步——把“空调”掀开，不外，温度要调到毫开级哦

量子设想中部分场景用到的光子能量比可见光要小 5 个数目级。在如斯顽劣的能级，要思保合手其中量子态的联系性，环境中的噪声（涨落）就必须远低于这个能级差。如果然切地看到一个量子电路中量子态的联系演化，所需环境温度一般需低至 30 mK 以下，越低越好。

更迫切的是，量子设想的实用化需要处置量子比特的踏实性和纠错贫穷。量子比特极易受环境骚扰，发生退联系效应则导致信息丢失。实验夸耀，咫尺单量子比特运算差错率已降至 0.000015%（绝顶于每进行 670 万次操作才出现一次差错），这一遵循为量子设想满足实用需求奠定了迫切基础。为普及量子比特的安全性等，常常需要环境温度远低于 100 mK，10 mK 稀释制冷机频频是超导量子设想机的标配。

咱们商酌啥？把“长期气体”变液体

说到低温工夫，弗成不提一种气体——氦气。

氦气是沸点最低的气体，依然被以为是“长期气体”。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“长期气体”的一场工夫竞赛，在这个经过中，巧合发现了超导风物，产生了经典物理学以外的新物理。不错说，液氦是掀开卓越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），会发生卓越经典物理无法讲解注解的物理调动，主要发达为液体将简直失去粘性，导热性能急剧升高（是铜的 800 倍）等。

超流氦本色上是一种宏不雅步调下可获胜不雅测的量子效应，冲突了 “量子风物只存在于微不雅粒子” 的常分解。直白来说，整个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，不再征服经典表面，而是征服量子力学限定。这种量子性质使其常用作先进高能物理商酌的冷却介质。

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，不错提供量子设想等需要的低温环境。

液氦温区低温制冷和雪柜空调的基甘心趣一样，亦然通过制冷剂的热力学轮回，终了热量由低温环境向室温环境的调动。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，是以氦气常常行为 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工夫商酌所在低温制冷方面的一些责任。咱们所主要珍贵液氢温度（20K）以下的多样低温工夫。轻便来说，等于通过将氦气压缩—推广—节流的情势，将氦气升沉为液氦。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坐褥五吨液氢的氢液化器（2023年，图片开端：作家提供）

液氦温区万瓦级氦制冷机模子（开端：新华社）

寰宇产5吨/天氢液化器（模子）在中国科学院科学节展出（图片开端：作家提供）

上图是我国首套氢推广 5 吨/天氢液化系统模子。液氢产能 5 吨是什么倡导呢？左证公开贵寓，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。这套开荒比咫尺某现场液氢燃料坐褥要大一倍，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，低温制冷应用吊祭常精深的，将来可能催生许多迫切突破，最典型的代表是可控核聚变、粒子物理和超导商酌等方面，让咱们一说念期待。

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开云体育,19 (2020): 191101. doi:10.1103/PhysRevLett.125.191101