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我们从很小的时候，就开始与温度搏斗。奶爸奶妈总是将婴儿房弄到暖得密不透风，洗澡水要“刚刚好”，有些东西则“太烫了，快拿开”！ 待到稍大一些，我们学会了用数字来衡量对温度的感受，知道水到了0℃就会结冰，20℃是温暖宜人的天气，37℃则是我们身体的温度。在我们认识能力的不断增长的某个节骨眼上，可能是在上学那会儿，我们还会碰到一个远离日常经验的温度：绝对零度。 绝对零度是凉爽的极致，一个理想的、无法达到的、完美的冻结状态。虽然如此，自从19世纪中叶这个概念首次出现以来，很多人终其一生都在追求向它再迈进一步。这个看上去似乎颇为堂吉诃德式(崇高，但徒劳)的目标，实际上却意义非凡。 今年是首个与绝对零度相关的诺贝尔物理学奖授予100周年，自那之后，诺贝尔奖更是纷至沓来。每个朝向绝对零度的进展，都伴随着别样的美丽与秩序，催生出工程领域的奇迹，也加深了我们对基础科学的理解，尤其是何为温度，何又为物质。 令人困惑的温度 我们对温度已经习以为常，对这个概念有多么让人迷惑，常常视而不见。早期的哲学家，比如伽里略、牛顿和波意耳认为，热是所谓热质(caloric)的流动——直到今天我们仍然会说起热“流”。其他一些哲人则认为，冷是由一些“冰冻原子”引起的。 可靠测量热和温度的早期尝试都同病相怜。早期最有用的温度计，依靠的是液体受热时会膨胀的特性。一些液体被密封在一个玻璃球或窄玻璃管中，在两个固定条件下，比如沸水和正在融化的冰水中，标记出液面所在位置。未知温度则用这两个固定点之间均分的刻度来衡量，称为“热度”。问题在于，这种方法会导致“第22条军规”的出现：温度计的校准过程假设，液体在不同温度都以相同方式膨胀，但如果不测量液体随温度的膨胀情况，就无法验证这个假设——要进行这种测量，就又需要一个温度计。 直到19世纪40年代，法国科学家亨利·维克托·勒尼奥(Henri Victor Regnault)用一个密封容器中干燥空气的压力大小来衡量温度，完成了一系列精巧的实验之后，一套可靠的、可重复的温度读数才真正确立起来。对于科学和工业，这可是莫大的恩赐，但当时人们仍无法揭示，这样测量出来的温度究竟代表了什么。 从早期用来测量温度的这么多种标记方式当中，关于温度的这种困惑就可见一斑。有些标记，比如摄氏度和华氏度，用水的不同性质来校准温度，直到今天我们仍在在使用。首先想到不依赖任何单一物质特性来定义一套绝对温度标记的，是19世纪的英国物理学家威廉·汤姆森(William Thomson)，也就是后来的开尔文男爵(Lord Kelvin， 绝对温标的单位就以他的名字命名)。他给出的定义非常抽象，依赖于理想热机的运作方式，而理想热机则是由法国科学家尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺(Nicolas Leonard Sadi Carnot)设想出来。但同时，一个对绝对温度更为有力的诠释概念正在成型，而且最终获得成功。 很难想象，曾几何时，那些伟大的科学先驱都无法理解世界上所有物质都由原子构成。只有理解了这一点，温度的本质才豁然开朗。热是原子运动的动能，温度是对原子运动速度的衡量——更准确地说，温度衡量的是分子平均运动速度的平方。当我们在日常生活中感受到某个东西的温度，学究一点的说法应该是，我们正在感觉物质的“躁动”。 一旦接受了物体中的分子在不断抖动这个想法，就会得到一个有关绝对温度的自然定义：它就是所有原子都完全静止的那一点。接下来的问题就是——这需要多低的温度？ 线索来自那些行家里手。17世纪法国的一位乐器工匠纪尧姆·阿蒙东(Guillaume Amontons)注意到，当从沸点冷却到冰点时，密封容器中的气压会下降“大约1/4”。由此外推的话，他推断，如果继续冷却，气体的压力也许最终会在某个温度之下完全消失——按照今天的标记，这个温度大约在-300℃。后来，随着对理想气体压力和温度测量精度的日益提高，人们发现这个推测不算离谱。今天的绝对零度被定义为开尔文温标下的温度零点，大约相当于-273.15℃。 没有结局的故事 追逐绝对零度的竞赛，真正开始是在19世纪末。正如差不多同时上演的、瞄准地球寒极(南北两极)的竞赛一样，这也是踏入未知的旅程。所不同的是，后者胜负已分，而对绝对零度的追寻将永无止期。 要理解其中缘由，不妨想象一下我们家中的冰箱如何运作。冰箱的内壁与比它更冷的物质接触，后者通常是不断循环的制冷剂。这样一来，热就不断从冰箱内流入制冷剂，从而让冰箱内的物体降温。如果想靠这种方式将物体冷却到绝对零度，制冷剂的温度就必须比绝对零度还低，但这是不可能的——因为你无法让分子运动得比完全不动还要慢。你能做到的极限，不过是让它们尽可能接近静止而已。 冰箱内的制冷剂通过膨胀来冷却自身。在这个过程中，它的内部压力降低，从而减慢分子平均运动速度。在这场竞赛的最初阶段，人们也曾以同样的技术来获得更低的温度。一种又一种气体在加压的情况下被冷却，然后让它们快速膨胀。这会进一步降低气体的温度，甚至会发生凝聚，从气态变成液态。 到了19世纪70年代末，法国人路易斯·保罗·卡耶泰(Louis-Paul Cailletet)用各种气体相继膨胀冷却的方法在-183℃得到了液态氧，接着在-196℃得到了液态氮。他和当时的任何人可能都没想到，在20世纪这两种物质会变得多么普通。要是当时让人们展望这些东西的用途，我敢打赌“消疣点痣”和“瞬间制冰”绝对不会上榜。 1898年，苏格兰人詹姆斯·杜瓦(James Dewar)在-250℃液化了氢气，之后就只剩下氦气还未被征服。氦的原子相互作用微弱，因而成为最难被凝聚的气体。说服氦原子进入液体的无数巧思和努力最终得到了回报，1908年7月10日，荷兰莱顿大学的海克·卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)实现了4.2K的低温，首次制得了几立方厘米的液氦。
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