低温物理学

低温物理学 (Cryogenics)，又称低温学，是物理学的分支，主要研究物质在低温状况下的物理性质的科学，有时也包括低温下获得的生成物和它的测量技术。而低温物理学中的低温定义为−150 °C（−238 °F，即123K）以下的温度。19世纪，英国物理学家法拉第在一次实验中偶然液化了氯气，由此，他认为一切气体在低温高压的情况下都可以被液化。到了19世纪40年代，法拉第本人已经成功液化了当时大多数已知的气体，只有氧气、氮气、氢气、一氧化碳、二氧化氮、甲烷六种气体无法液化，而且创出当时的最低温度（ -110 °C, 163K）。随后，低温设备不断被完善，逐级降温和定压气体膨胀方法开始广泛应用。1898年英国物理学家杜瓦成功液化了氢气，标志着这六种气体都够能被液化。1895年，英国化学家从矿石中分离出更难液化的气体——氦气。直至1908年，才成功被荷兰莱顿大学的物理学家海克·卡末林·昂内斯将其液化，同时令低温记录创下新低（ -269 °C, 4K）。之后，昂内斯获得1913年的诺贝尔物理学奖。1911年，昂内斯意外发现以（ -268.8 °C, 4.2K）的液氦冷却汞时，电阻突然骤降到接近零欧姆（0Ω），此现象即为超导现象。随后，他又发现在低温下铅、锡也和汞一样具有相似的超导特性。超导效应的发展前景可观，如果能使超导材料在室温下应用，将能大大提高输电的效能，延长材料使用的寿命，降低热损耗。近年，物理学家正不断寻找超导转变温度（Tc）更高的超导材料。目前，高温超导体已经成为凝聚态物理学中最热门的研究领域。低温物理学是研究如何有效率制造低温环境，并研究物质于低温状态下的变化，例如，粒子震动的变化。此外，低温物理学常用绝对温度（K）及兰金温标（°R）为温度标准，很少会使用摄氏（°C）及华氏（°F）。低温生物学是生物学的分支之一，主要研究生物器官在低温下的状态及影响。低温生物学最热门的研究为低温繁殖技术。人体冷藏学是一项尚未成熟的技术，目的是要冷却人体或动物，并希望能在未来使其复活。人体冷藏学与低温生物学不同，现时并没有一个实际而成功的例子。部分人对其可行性有所怀疑，其中有不少是科学家及医生。而且，人体冷藏学还需要面对其相关学科的应用，如低温物理学、低温生物学、流变学、医学等等，令其实现增添难道。低温物理学的英语(Cryogenics)源自希腊语，字面意思是“the production of icy cold”，即“冰冻的产物”，又可解作“在低温状态”的类义字。但是，仍没有为低温定下标准，因而没有说明需要制冷至几度才是低温物理学的范畴。所以，美国国家标准技术研究所（NIST, National Institute of Standards and Technology）制定，温度必须低于 -180°C，即93.15K，才并入低温物理学范畴。这温度介乎于惰性气体氙与氡的沸点之间。因此，使低温物理学有特定的标准。工业应用上制造液化气体，如液态氮及液态氦，其中也会使用到低温物理学的技术。