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宇宙微波背景辐射。原初光子在宇宙膨胀过程中不断红移，相当于宇宙在不断降温。到今天，这种背景辐射的特征与温度为2.7K的黑体辐射相同 | 图片来源：NASA/WMAP
我们来仔细看看这个冷却过程中发生了什么？当温度足够高的时候，一切粒子都是游离状态，它们碰撞、结合，又分离......世界一片混沌。只有当温度降低之后，质子才终于能俘获电子形成氢原子，进一步冷却之后，这些原初的粒子才得以在引力作用下聚合成团，形成恒星这种造物发动机。当恒星内部聚合反应所释放的能量不足以支撑引力时，恒星将会爆炸，喷射出大量重元素。这些重元素在恒星外部的低温环境下重新聚合，分子和晶体开始形成，最终组成行星，比如我们的地球。地球进一步冷却之后，生命终于得以诞生并延续至今。
整个过程中，我们可以看到一条基本的线索：
温度在逐步降低，新的凝聚现象则随之逐级发生
。从物理学角度看，这是
不同的对称性逐渐发生破缺
。那我们不禁要问：如果温度进一步降低，还会有哪些凝聚现象会发生？这些新的凝聚现象及其引发的效应，能否为我们带来好处？这是凝聚态物理学家们思考的永恒主题，也是低温技术发展永远的原动力。
量子力学的开创与发展，起初与低温没有多少关系。量子力学现象，都是在光子、电子和原子中发现的，这些粒子的能量都很高，远比室温引起的热涨落高得多，因此在室温下就能表现出各种奇妙的量子现象。随着物理学探索进一步向更微观的世界发展，与低温更是渐行渐远，因为打开基本粒子的魔盒，往往需要更高的能量。然而，我们的现实世界终究是宏观的，我们接触到、感知到的，无一不是宏观的物体。既然量子力学能够主导微观世界，而宏观物体又无一不是由微观粒子堆砌而成，那么量子力学又是如何影响宏观世界的呢？
早期的物理学家悲观地发现，一旦进入宏观世界，量子效应就“消失”了。我们不可能用薛定谔方程来求解一杯水是如何形成的，更不可能发现一杯水和另一杯水发生干涉或量子纠缠。接下来一个很自然的问题就是：量子
（微观）
和经典
（宏观）
的界限到底在哪里？既然二者分别有一套完善的理论来精确地描述，那它们该如何衔接呢？薛定谔——这位真正的“量子之父”——就曾提出了著名的“薛定谔的猫”思想实验，用来阐释量子和经典放到一起会产生多么荒谬的结果——一只既死又活的、可怜的猫猫。
薛定谔的猫。如果我们认为猫也可以用一个波函数来描述，就会得出诡异的结论：我们总能构造一种测量，这种测量之后，系统会塌缩到一个“死猫”和“活猫”的叠加态，而这显然是不被现实允许的
这种冲突，引领着第二代量子物理学家向包含更多粒子、粒子之间有着各种相互作用的多体体系展开研究。这显然是一个更富有挑战性的工作，大家应该都听说过三体问题：存在相互作用的三体运动问题是混沌的，其运动极其复杂，不能精确求解。更多的粒子岂不是灾难？物理学家们巧妙地采用了其他方法，而不是基于初始条件和运动方程去求解。这其中最具开创性的莫过于玻尔兹曼，他最早从
统计学的角度
来思考物理问题：
即便我们无法了解到每个粒子的运动细节，我们也可以从其集体行为中获取信息。
玻尔兹曼没能活到参与量子力学大厦建立的黄金时代，他在同时代学术界的严重偏见中抑郁自杀了。但这不能阻挡统计物理在研究多体问题和各种宏观现象中取得巨大成功，更不能阻挡后来者站在他的肩膀上继续前行。特别在超导现象出现之后，这种宏观量子效应迫使人们从另一个角度来观察凝聚现象：抛开电子的个体行为，而来看它们的集体行为。这就好比在北京这样的超级城市，如果盯着每个个体的轨迹看，你看到的是包含大量噪音和随机性的个体行为，而只有采用统计学的方法，站在更高的视角，才能发现其中的社会行为趋势。P.W. Anderson有一句名言：“More is different.”——多了就不一样了。其中颇含哲理，无论什么相互作用体系，多了之后就会有新的有序态出现。固体中的电子、群体动物的社会性，一直到恒星聚成星系、星系聚成星系团、星系团组成复杂的宇宙物质网。
而低温，让这些被热涨落掩盖的凝聚现象一点点展现出来
。当温度低于某种凝聚现象的特征能量尺度时，这种凝聚现象就会表现出来，惊艳四座。空气，这种无形无相之物，当它逐渐冷却，你会发现水开始凝结成冰，继续冷却，二氧化碳、氧气、氮气、氢气乃至氦气都会凝结。再继续冷却，其中还有新的现象等着你。
对于一个孤立的多体系统，只要设法将其中的能量不断抽取出来，或者说保持能量抽出的速度大于传入的，那么系统的温度就会持续降低。在现代实用技术中，实现低温的方法一般可以分为三大类。
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一类是基于气体动力学将热持续地从低温端抽出，比如斯特林制冷机、G-M制冷机、脉冲管制冷机等；
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还有一类则是利用某些物理化学现象，例如热电效应、顺磁效应、隧穿效应等
拿日常生活中的例子来说，我们家家户户都有的冰箱和空调，就属于第一类制冷技术；而我们喝的冰可乐、冰咖啡，往往是往杯中扔一些冰块来制冷，这就属于第二类；至于第三类制冷方式，就我所知某些饮水机就采用“电子制冷”技术来获得凉水，利用的基本原理就是温差热电效应。
不同的温度区间适合于不同的制冷手段。自从空气液化技术和杜瓦技术成熟之后，采用空气中最主要成分——氮气液化作为
制冷剂
，成为一种非常便捷实用的制冷技术。在常压下氮气的液化温度为77K，换算成摄氏度是-196度，意味着在这个温度以上，我们都可以采用液氮来进行冷却。由于氮气太容易获取，液氮目前的成本已经比超市的矿泉水还便宜，因此它的应用极为广泛。比如说，医学上常用液氮来对生物组织进行迅速深度冷却，从而能够在不破坏生物活性的情况下长期保存生物样本。中科院物理所的科技开放日上，有一个网红科学小实验，就是将活蹦乱跳的小金鱼浸泡到液氮中，十余秒之后捞出
（此时已成冰疙瘩）
再放入水中，不一会，这条小鱼就将重新恢复活力。
对于更低的温度，比如零下250度，液氮就无能为力了。此时我们需要液化温度更低的气体来作为“冷媒”。早期用的较多的除液氮外还包括液氖
