随着西伯利亚强冷空气的到来，我们逐步探访了低温世界，从温暖的0摄氏度逐步迈向接近“绝对零度”的极寒境地。
在我们深入这个冰雪世界之前，不妨先了解一下温标的概念。温标就像是测量温度的尺子，常见的有华氏温标、摄氏温标和绝对温标三种。华氏和摄氏温标依赖于测量物质的物理特性，因此被称为经验温标。而绝对温标则不依赖于测温物质，它由热力学第二定律推导出的卡诺定理定义，又名开尔文温标。绝对温标基于理想气体的压强与温度比值保持恒定的特性，将理想气体的压强-温度曲线的交点定为绝对零度，最小温差与摄氏温标一致，单位为开尔文K，因此水的三相点温度为273.16K。热力学第三定律指出，绝对零度无法通过有限次步骤实现。
我们现在来了解三种温标之间的换算关系：
摄氏温标(t)与绝对温标(T)的关系为 T=t+273.15
摄氏温标(C)与华氏温标(F)的关系为 F=1.8C+32
掌握了这些温标的基本知识后，让我们一起打开低温世界的大门，探讨从0摄氏度到接近绝对零度的奇妙现象。接下来的内容将同时使用摄氏温标和绝对温标，帮助大家更好地理解。
标准大气压下的0摄氏度，即冰水混合物的温度，是我们最熟悉的低温现象，也是最直观的低温体验。在炎热的夏季，一杯加冰的可乐能给你带来极致的清凉感受。
这仅仅是低温的起点。北京的冬天常常会降到-10℃，甚至更低，而中国的漠河地区冬季气温常常低于-40℃。在这种极低温度下，体温计（如水银温度计）会失效（水银的熔点为-39℃），洒出的开水迅速结冰形成冰花。
漠河不仅保持了我国最低气温的记录（-52.3℃），而南极的最低气温更是达到-88.3℃。在如此寒冷的环境中，标准大气压下的二氧化碳会凝结成干冰。
这已接近人类能忍受的低温极限。我们的探索才刚刚开始。温度进一步降低时，空气中的成分会逐渐液化。当温度降至-183℃（90.15K）时，氧气变成了浅蓝色的液体。继续降温至-195.8℃（77.35K），氮气也变成液态。由于氮气在空气中的比例较高（78.03%），它更容易液化，因此液氮常用于快速冷冻生物组织、食品冷藏和冷冻治疗。
液氮不仅因其廉价性被广泛使用（其体积成本甚至低于相同体积的可乐），还成为科研爱好者的实验玩具。许多液氮实验被上传到视频网站，如将活鱼、岩浆、可乐或开水放入液氮中。2014年，“冰桶挑战”风靡全球时，俄罗斯小伙Anton Konovalov还用液氮进行了极端的“冰桶挑战”，将-196℃的液氮倒在自己身上，却没有造成冻伤。
这个实验生动展示了莱顿弗罗斯特效应——液氮接触到高温皮肤时会迅速蒸发，形成保护性的气体层，阻止液氮直接接触皮肤。尽管如此，仍不建议模仿此类实验，因为不慎接触液氮可能导致严重冻伤。
当温度降到77K以下，低温现象变得更加丰富。科学家们在18世纪曾认为某些气体如氢气、氦气无法液化，直到1898年，英国物理学家杜瓦成功液化氢气（液化温度为-252.77℃，即20.38K）。1908年，荷兰莱顿大学的卡末林·昂内斯教授成功液化氦气（标准大气压下液化温度为4.215K），并通过降低液氦蒸汽压，获得了1.15~4.25K的低温。他发现金属铂电阻在4.3K时保持常数，进而研究发现汞在4.2K时表现出超导特性，这一发现为超导研究奠定了基础，并为昂内斯赢得了1913年的诺贝尔奖。如今，超导体的完全电导性、抗磁性和通量量子化特性已被广泛应用于超导线圈、磁悬浮列车和超导量子干涉仪等领域。
在接近绝对零度的温度下，进一步降低到2.7K（宇宙微波背景辐射温度）时，液氦将显现出超流性（HeⅡ），即零阻力或零黏度。超流态的液氦能沿容器壁向上流动，实现液面平衡，这一现象被称为“氦膜爬升”实验。液氦还具有异常的热导性，比铜高出800倍，并且比热容、表面张力和压缩性都有反常表现。
这种超流特性源于玻色-爱因斯坦凝聚。HeⅡ原子是玻色子，低于临界温度时，玻色子会凝聚到零点振动能状态，导致超流现象。凝聚态的HeⅡ原子具有极大的平均自由程，能够几乎无阻碍地通过极细的毛细管。
当温度降至接近1K时，通过压缩4He降低其蒸汽压已难以继续降温。科学家们使用相同的方法处理氦的同位素3He，液浴减压可达0.3K。在0.87K以上，3He和4He的混合液可以任意比例混合，而在0.87K以下发生相分离，分为浓相和稀相。3He在超流态4He中几乎无阻力流动，这一过程类似于普通液体通过蒸发致冷。这种稀释制冷技术使我们能够实现1.5mK的温度，成为凝聚态实验物理学家的重要工具。
在更低温度下，通过加压使3He发生液－固相变，利用坡密朗丘克致冷技术可以达到1mK。通过核绝热去磁，使熵增加也能将温度降低到50nK量级，但晶格温度仍在mK量级。
虽然我们已达到接近绝对零度的温度极限，但依然无法达到绝对零度。量子力学指出，量子涨落永远存在，粒子无法静止。尽管如此，接近绝对零度的研究仍然意义重大。通过从0℃到接近绝对零度的探索，我们看到各种凝聚现象的逐步显现。不同温度下的量子效应和凝聚现象不仅拓展了我们的科学认知，也为技术进步提供了动力。这些研究揭示了低温技术的无限可能性，激励着科学家们不断追求未知的领域。