液氮如今的一大用途，就是用来速冻制造冰激凌
一个全新的世界
液氦打开了一扇通向全新物理世界的大门。就在获得液氦之后不久，昂内斯就发现，在非常低的温度下，某些金属会变成超导体。冷却到某一临界温度之下，这些金属的电阻会陡然下降15个数量级，几乎与0无异。诺贝尔奖委员会没有花太久就认识到了昂内斯工作的重要性，1913年授予了他诺贝尔物理学奖。
虽然超导技术并未像人们期盼的那样走进千家万户，但核磁共振成像仪的磁铁里就有它，瑞士日内瓦郊外的大型强子对撞机巨大的电磁铁中也有它的身影——正是借助超导的威力，才能产生强大的磁场，将质子束约束在那些环形轨道之中。
但最让人惊叹的低温现象可能还不是超导，而是在首次液化氦气那天，发生在昂内斯眼前的那一幕。透过密封隔离的玻璃容器上的小窗口，他窥见几乎完全透明的液体在翻腾扬沸。把液面上的液氦蒸汽吸出容器，可以移除那些运动速度最快的氦分子，这样可以进一步降低液氦的温度，却反而让液氦的沸腾愈发剧烈起来。
但是接下来，当温度降低到今天我们所说的2.17K时，翻滚的气泡突然消失不见，液氦变得死一般寂静。数十年之后，我们才理解到底发生了什么：部分液氦突然进入一个新的物态——超流态，一种可以完全无摩擦流动、完美导热的状态。不管液氦中的哪个区域部分受热开始要形成气泡，附近的超流液氦就会将这些热带走，将气泡消灭于无形之中。
更为惊人的发现接踵而至。氦原子核通常包含2个质子和2个中子，因此最常见的氦原子是氦-4。比它罕见数千倍的，还有一种氦的同位素——氦-3，它只有1个中子。这些更轻一些的氦-3原子会在3.2K时凝聚，比氦-4的4.2K要低，而且液化之后的行为也完全不同。例如，氦-3的粘滞性非但没有减弱，反而变得更强。
谁能想到，仅仅1个中子的差别就会让液氦的性质发生截然相反的改变？我很想将这些现象称之为非凡，但又难以张口，因为它们其实极度平凡。只不过我们肉眼凡胎，小瞧了平凡物质中的变化万千。
这些貌似怪异的行为背后有一个普遍真理，那就是，我们生活在一个用量子力学描述的世界里。只有当低温抑制了那些随机热运动之后，这一点才变得明显。例如，我们看到氦原子之间的相互作用如此微弱，以至于量子力学允许它们不用挪来挪去就能互换位置。这使得液氦在我们能达到的最低温度下，仍保持液态。实际上，计算表明，在标准大气压下，液氦甚至在绝对零度也仍然不会冻结。
了解量子现象正是促使人们不断挑战绝对零度的动机之一。氦-3和氦-4在液态下的不同性质，成为我们继续下探的平台。在一种名为超冷冰箱的仪器中，氦-4的超流态会让液态氦-3表现得像气体一样，能够在充满氦-4的“真空”中汽化，同时将整个装置继续向下冷却到0.001K，也就是1毫开尔文(mK)。在这个温度下，氦-3自己也终于进入超流态，但是带有磁性。
如果冷却到0.001K算十分困难，那继续向下冷却则需百倍艰辛。所有物质的导热率都随着温度下降而急剧降低，这意味着，想要从某处将热量向外传导需要更长时间。同时物质的比热，也就是变化单位温度所吸收或释放的热量，随温度降低而变得极其微小，以至于任何想要研究某个物体的实验技巧，都会将该物体加热。假设一只蝴蝶从10厘米高处飘落下来，停在一块1厘米见方、温度为0.001K的铜块上，撞击的能量就足以让这个铜块的温度上升100倍。
好在，我们还有一些变通的方法，起码对很少量的物质能够奏效。对于只包含十亿个左右原子的气体团，我们可以采取逐个原子冷却的方法。同时用几束激光相对照射，利用激光光子与每个气体原子碰撞来带走它们的动量，从而让这些气体原子的运动迟缓下来。这里用到的方法，仍然是用一种物体带走另一种物体的热量，只不过现在我们使用的制冷剂变得更为复杂。利用这种激光冷却方法，我们能让原子的运动速度从1毫开尔文时的1米/秒，降低到1毫米/秒，对应温度为1纳开尔文(1 nK＝10-9K)。
这一奇思妙想的奖励，就是让我们有机会排除混乱的热力学的干扰，探索物质在量子力学范围内的行为。比如，我们知道超导本质上是一种量子现象，但花费了数十亿美元之后，我们还是对某些临界温度在130K之上的超导体(所谓高温超导体)的形成机制一无所知。通过制造出一些可控性更好的量子系统，我们就可以用一团超冷原子来模拟此类现象，用激光脉冲来探测和改变原子的相互作用。
我们还可以利用超冷物质周围无可比拟的纯量子环境，来模拟中子星内部的极端环境、基本粒子相互作用，以及早期宇宙中的相变。在低温下，电子通过相互作用产生元激发。这些元激发，有时又被称为准粒子，质量可达自由电子的上千倍，刚好同能在自由空间与希格斯场发生相互作用的基本粒子质量相当。与此类似，超导体中也有准粒子激发。最近的研究发现，这些准粒子的行为类似于马约拉纳费米子——这是一种在理论上很早就得到预言的粒子，它的反粒子就是它本身。
尽管目前还看不到这些实验有何直接应用，但是有上世纪科学发展的前车之鉴，我们最好还是聪明一点儿，不要妄下断言。马约拉纳费米子是被寄希望未来能在量子计算机中处理量子比特的候选者之一，而量子计算机的计算能力足以在现有的通用计算机面前一骑绝尘。这类威力巨大的机器的实现，很可能就依赖于我们在低温下对物质错综复杂性质的掌握。
昂内斯已经将我们带到4.2K，100年过去了，我们还在绝对零度之上那最后一格倒腾，这看上去似乎很奇怪，但我们不应该只盯着最后一度，而是要看到1K和1mK之间、1mK和1µK之间、1µK和1nK之间那隔若天渊的1000倍的差别。
冷却过程的每一个阶段，都像是在降低一间屋子里的背景噪音，好让我们更清楚地聆听自然的沉吟。继续冷却下去，我们就得以在更精微的层次上刺探原子间的作用。即便到了1nK，下面仍然有巨大的冷却空间，pK(picokelvin，皮开尔文，10-12K)，fK(femtokelvin，飞开尔文，10-15K)，直至无穷。此前曲折离奇的经验提醒我们，接下来会发生什么，你不要猜。
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