（来源：中科院物理所）

当魔幻现实主义照进现实：在我们习以为常地在26℃空调房里吃西瓜时，欧洲的多数家庭正顶着40+℃的高温硬扛，高温天气致多国记录到超4000例超额死亡。

2026 年入夏以来，欧洲多国气温接连突破历史极值，法国局部最高冲到 44.3℃，但全欧洲家庭空调普及率仅约 20%—— 德国固定式空调不足 6%，英国不到 5%，北欧国家更是普遍低于 10%。

今年6月，法国一家药店的告示牌显示气温为41℃[2]。

这并非欧洲人天生耐热。一方面是历史建筑保护法规严苛，外墙打孔装外机动辄面临上千欧元罚款，安装成本与审批门槛极高；另一方面环保观念深入人心，家用空调的高碳排放长期饱受争议，装空调始终不是主流选择。

于是一种号称“无外机、免安装、插电就凉”的移动空调在欧洲彻底卖断货。

它不用在墙上打洞，不用师傅上门，往窗边一放就能用，完美踩中了欧洲人装空调的全部痛点。但买回家的人很快吵成了两派：有人说它救了半条命；有人骂它是智商税——电费涨了一倍房间还不够凉。

那问题来了：空调为啥非得有个外机？把内外机合二为一的“无外机空调”，到底是黑科技还是物理骗局？

要搞懂外机的意义，得先明白空调到底是什么。它从来不“制造”冷，而是热量的搬运工。

想象一下，你要把房间里的“热量垃圾”清出去，就得有搬运工、有货车、还有室外的垃圾场。制冷剂就是那个搬运工，它有个神奇的本事：低压低温时容易蒸发吸热，高压高温时容易液化放热。一套完整的压缩制冷循环，刚好对应搬家的四个步骤：

低温低压的液态制冷剂进入室内的蒸发器，吸收房间里的热量，自己蒸发成气体，房间就凉了；

压缩机像货车发动机，把吸了热的制冷剂气体压缩成高温高压的“热包裹”；

高温的制冷剂流到室外的冷凝器，把身上的热量全部散到室外空气中，自己重新液化成液体；

节流阀像个窄窄的下坡路，高压液态制冷剂经过后压力骤降，温度也跟着降下来，重新回到室内装货。

所以外机的核心使命，其实就是给热量找一个“室外垃圾站”——大气。所有从房间里搬出来的热量，最终都必须通过外机的风扇吹到外界空气里，这是热力学第一定律的规则：能量不会凭空消失，热量只能从一个地方搬到另一个地方。

而所谓的“无外机移动空调”，本质上是把蒸发器、压缩机、冷凝器全塞进了同一个机箱里，相当于把卸货区也搬进了房间。如果不做处理，冷凝器散出的热风会直接留在室内，等于一边搬热一边漏热，再加上电能转化为热能，房间只会越吹越热。所以它必须拖一根粗粗的排风管伸到窗外，把冷凝器产生的热风强行抽出去——它不是真的“没有外机”，只是把外机做成了内置，再用一根管子完成“扔热量”的动作。

这种设计天生带着三个绕不开的缺陷：

• 效率砍半

  普通分体式空调的能效比（EER）能达到3.5-5.0，而移动空调通常只有2.0-2.5，相当于搬同样多的热量，要多花近一倍电费。更麻烦的是，排风会让房间形成负压，室外的热空气会顺着门缝窗缝往里钻，进一步抵消制冷效果；

• 噪音贴身

  压缩机是空调的噪音源头，分体机把它放在室外，关窗就几乎听不见；移动空调把压缩机放在你脚边，运行时噪音普遍在50分贝以上，像在房间里放了台持续工作的洗衣机；

• 并不自由

  它必须贴着窗户接排风管，管子长度有限，还得给窗户留缝密封，根本没法随便挪去另一个房间用。

说白了，无外机空调是建筑限制下的妥协方案，它从来没有跳出热力学的基本规则——只要你想让房间变凉，就总得给热量找一个出口。

房间里的热量可以排给大气，那如果连大气都没有呢？

如果把你放进一个真空的密闭空间里（好心发你一套宇航服），四周没有空气可以承接热量，你该怎么给自己降温呢？

又如果我们要制造零下两百多度的极寒，甚至逼近零下273.15℃的绝对零度，连空气都早已冻成了固体，又该把热量扔去哪里呢？

日常空调的逻辑，是“把热量从低温处搬到高温的外界”。但当我们要挑战的温度越来越低，低到没有现成的“更热的外界”可以承接热量时，人类的制冷技术就从“工程技巧”走进了“物理底层”。

现在，我邀请你和我一起，从空调外机吹出的热风出发，一步步走向低温物理的腹地，去看看人类如何用气体、用原子、用量子效应，制造出比宇宙深空更冷的极端低温。

制造低温最朴素的办法，是利用液体蒸发吸热。皮肤上擦酒精会觉得凉，就是酒精蒸发带走了热量。水的沸点是100℃，零度以下就结冰了，没法再靠蒸发降温。要得到更低的温度，就得找沸点更低的液体——比如液氮沸点-196℃（77K），液氦沸点-268.9℃（4.2K）。

但这些物质在常温下都是气体，想让它们变成液体，就得把温度降到沸点以下。这是一场漫长的“降温长征”，人类用了将近五十年，才把空气、氮气、氢气、氦气逐一液化。

核心的降温武器有两个：

想象一下你对着手心快速吹气，会觉得凉飕飕 —— 从口腔高压环境冲出来的气体，到了常压下体积迅速膨胀，推着外界空气 “干活”，自身的内能减少，温度就降了下来——这就是绝热膨胀降温：气体在绝热条件下对外做功，内能转化为机械能，温度下降。这是效率最高的降温方式之一，工业上的涡轮膨胀机就是靠这个原理制冷。

另一个是焦耳-汤姆孙效应：让高压气体挤过一个细小的节流装置（如多孔塞、针型阀或毛细管）时，压力骤降，体积膨胀，温度也会变化。你可以把气体分子想象成互相拉着的小球，平时分子间有微弱的吸引力；当体积突然变大，分子距离拉开，吸引力会把分子往回拽，分子的动能被消耗，温度也就降了。

不过这个效应不是对所有气体都生效。常温下空气、氮气、氧气节流后会降温，但氢气、氦气这类小分子气体，常温下分子间斥力占了上风，节流后反而会升温。必须先把它们预冷到“转换温度”以下，再节流才能获得降温效果——氦的转换温度低至-233℃，想液化氦气，得先用液氮、液氢一层层预冷，降到足够低的温度后，再通过节流膨胀才能最终液化。

1895年，德国人林德用“压缩-预冷-节流”的循环造出了第一台空气液化机：先把空气压缩，用水带走压缩释放的热；再让一部分冷空气膨胀降温，反过来冷却另一部分高压空气；循环往复，温度越来越低，最终空气变成了液体。这套被称为“林德循环”的技术，让人类第一次批量获得了液态空气，也开启了低温工程的时代。

从空气到液氮，再到液氢、液氦，人类靠着一次次膨胀、一次次节流，一步步把温度压到了4.2K（-268.95℃）——这是常压下液氦的沸点。再往下呢？靠抽真空降低液氦的蒸气压，最多能降到1K左右，再抽就几乎没有气体可抽了。

想要突破1K的壁垒，光靠经典的气体膨胀已经不够了。人类必须拿起量子世界的武器。

绝对零度是热力学的下限，0K等于-273.15℃，意味着原子的热运动几乎完全停止。宇宙深空的温度是2.725K，也就是比绝对零度高不到3度，这是宇宙大爆炸留下的余温。但人类在实验室里造出的低温，已经远远冷过了宇宙空间。

第一个突破1K极限的利器，是稀释制冷机，它也是今天超导量子计算机的“标配冰箱”。

它用到了氦的两种同位素：氦-4和氦-3。你可能不知道，这两种长得几乎一样的氦原子，在极低温下会像油和水一样分层。当温度降到0.87K以下时，氦-3和氦-4的混合液会自动分成两层：上层是几乎纯净的氦-3浓相，下层是溶了少量氦-3的氦-4稀相。

这个现象有个奇妙的性质：如果把下层稀相里的氦-3原子抽走，上层浓相里的氦-3就会不断穿过界面，“溶解”到下层稀相中去补充。而氦-3从浓相进入稀相的过程，需要吸收大量的热——就像水蒸发成水蒸气要吸热一样，这就是稀释制冷的核心原理。

你可以把浓相的氦-3想象成液态水，稀相像空气；抽走稀相里的氦-3，就像用风扇吹走水蒸气，让水持续蒸发吸热。只不过这里的“蒸发”不是液态变气态，而是从浓相“溶解”进稀相，是一种量子层面的相变。

现代商用稀释制冷机可以稳定维持10mK以下的温度，也就是0.01开尔文，比绝对零度仅高0.01度，比宇宙背景温度冷了两百七十多倍。那些长得像金色吊灯的量子计算机，最核心的量子芯片就悬挂在稀释制冷机的最底部：从室温300K开始，经过一层层冷板逐级降温，最终落到毫开级的混合腔里。只有在这样的极低温下，超导量子比特才不会被热运动打乱状态，才能稳定地进行量子计算。

如果说稀释制冷是“量子版蒸发降温”，那绝热去磁制冷就是一场“秩序与混乱的游戏”。

想象一个挤满了人的大厅，大家随意站着，乱糟糟的，这叫“熵很高”；突然有人下令“全部面向北站齐”，所有人立刻排成整齐的队列，混乱度瞬间降低，也就是“熵减小”。从混乱到有序，多余的能量会以热量的形式释放出来；如果这时把大厅和外界完全隔热，再下令“解散”，大家重新乱起来，熵要增加，就必须从周围吸收热量，大厅的温度就会下降。顺磁盐里的原子磁矩，就是这些听话的小人。

第一步，给顺磁盐加上强磁场，原子磁矩会顺着磁场方向整齐排列，熵减小，放出热量，用液氦带走这些热量，保持温度不变；

第二步，把顺磁盐和外界彻底隔热，也就是绝热状态，然后慢慢撤掉磁场；失去磁场约束后，磁矩会重新变得混乱无序，熵要增加，只能吸收自身热量，于是温度急剧下降。

1933年，科学家第一次用这个方法，从3.4K直接降到了0.53K，首次突破了液氦蒸发降温的极限。后来人们又把这个思路用到原子核上，发展出核绝热去磁技术，能将温度降到纳开（10⁻⁹K）级别——也就是十亿分之一开尔文，这是人类目前能达到的最低温度。

如今，绝热去磁制冷不仅用在基础物理实验室，还走进了太空。红外望远镜、X射线探测器必须在极低温下工作，否则自身的热辐射会盖过来自深空的微弱信号；而太空里没有大气对流散热，结构简单、没有液体晃动的绝热去磁制冷，就成了空间探测的绝佳选择。

1902年，威利斯·开利发明现代空调，初衷仅仅是为了解决纽约布鲁克林一家印刷厂的湿度问题，给机器和人换来一缕可控的凉风。我们想尽办法把房间里的热量扔到室外，让城市建筑的外墙上挂满嗡鸣的外机。在享受个体舒适的同时，我们也无意间将整座城市变成了一个巨大的“散热场”。

但我们并未止步于这种粗放的热交换。

当“降温”不再只是为了避暑，而是为了探寻物质的边界，我们便不再满足于“比室温低几度”。我们开始液化空气、液化氦气，向着-269℃的极寒深渊挺进；当经典的气体膨胀制冷触及极限，我们撬开了量子世界的大门——利用氦-3与氦-4的相分离效应，利用原子核自旋的绝热去磁，在毫开（mK）甚至微开（μK）的量级上，步步紧逼绝对零度。

我们在实验室里制造出了比浩瀚星际更冷的空间。那微型制冷机腔体中的一点幽蓝，其温度低于宇宙微波背景辐射，冷过了银河系中99%的寂寥虚空。我们穷尽心力制造寒冷，并非为了取暖，而是为了捕捉物质最隐秘的真相：超导为何能在零电阻下永动？量子比特如何在叠加态中编织未来？宇宙大爆炸后的第一秒，夸克-胶子等离子体究竟如何涌动......

从调节湿度的活塞压缩机，到逼近绝对零度的稀释制冷机，人类操控热量的技艺愈发精妙，探索的疆域也从宏观世界直抵量子之海。热力学第二定律从未妥协——热量无法自发从低温流向高温。但人类的好奇心，却在这冰冷无情的法则中，硬生生凿出了一条浪漫的远征之路：

我们不仅要让文明在酷暑中得以存续，更要在极寒中，看清宇宙为何是今天的模样。

参考文献

[1]https://ysxw.cctv.cn/article.html?toc_style_id=feeds_default&item_id=33165091217707142&channelId=1119

[2]https://news.cctv.com/2026/06/29/ARTITemS7t96gHMQM3R8MA2X260629.shtml

[3]程阳.气体静压节流器微流场焦耳—汤姆逊效应的研究[D].中国计量学院,2015.

[4]阎守胜. 稀释制冷——一种获得极低温度的新方法[J]. 物理, 1975, 4(2).