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在極低的溫度下，物質會開始出現奇特而神秘的性質。
低溫學是研究極低溫度的一門科學。這個領域的研究目標是了解如何產生與維持絕對溫度123度或是攝氏-150度以下的低溫，同時研究在這種低溫環境下，各種物理、化學及生物作用會產生什麼變化。
分子的隨機運動會產生熱，而溫度只要下降，分子運動就會開始變慢。但根據熱力學定律，這種情況並不會永遠持續下去，一旦到達某個極限，分子就會完全停止熱運動；這個極限被稱為絕對零度或0K（相當於攝氏-273.15度），也就是可能達到的最冷溫度。
當物質的溫度接近絕對零度時，其性質會大幅改變，例如氮氣與氧氣等永久氣體達到絕對溫度數十度時會變成液體，可作為太空船燃料，或用於快速冷卻食物以供保存，甚至能應用在外科手術，移除受損細胞；鈮合金（niobium alloy）降至接近絕對零度時，會完全失去電阻而成為超導體，能用來製造強大的電磁鐵，將次原子粒子（subatomic particle）加速到接近光速。而當溫度降至絕對溫度2.19度，甚至是更低時，液態氦會失去黏度而變成超流體（superfluid），超流體的特性非常神奇，能夠沿著玻璃燒杯往上流。
讓我們一同探索低溫學的奧秘，深入瞭解這個正將科學極限推向另一個境界的學問。
用低溫電子學為歐洲核子研究組織保冷通過導體的電流會受阻於物質的電阻，但是當某些金屬的溫度下降時，其電阻也會跟著降低。在某些情況下，導體處於超低溫時，其電阻會突然降至零，因而變成超導體。
歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，簡稱LHC）之中導引粒子束運行的主要電磁鐵被液態氦冷卻至絕對溫度1.9度（相當於攝氏-271.3度），這比在外太空還冷，因此電阻會完全消失，以防止能量轉為熱能逸失。
本圖節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期（2015年12月號），全見版請點擊本圖放大。
冰凍死人低溫學vs人體冷凍技術談到低溫學（cryogenics），許多人腦中浮現的第一個畫面是屍體被保存在冷凍櫃，期待有朝一日能復活。科幻片讓這種想法大為風行，而且美國已有專門機構負責進行這種服務，但冷凍屍體的技術目前仍非常缺乏科學根據。
科學家很謹慎地將低溫學與冷凍屍體的過程──也就是所謂的人體冷凍技術（cryonics）──加以區隔；在準備接受人體冷凍技術的病人死亡後，他的血液將被一些化學混合液取代，目的是在冷凍過程中保護脆弱的細胞。
完成以上的程序後，會用液態氮冷凍人體，並將人體放入儲存槽內。負責進行人體冷凍的公司不須經過科學或醫學認證，冷凍過程中的某些工作甚至可能由志工進行。
冰凍人體確實是個令人振奮的構想，但目前還沒有證據顯示這種人體冷凍技術能夠奏效。
提供火箭燃料低溫學的主要應用範圍之一是太空旅行；第一部使用低溫燃料推動的火箭是美國航太總署（NASA）的半人馬座火箭（Centaur）的末段引擎，於1963年成功發射。
最常用的成對低溫燃料是液態氫（LH2），而液態氧（LO2 或LOX）則用來助燃。氫氣是很輕的氣體，在氧氣中能完全燃燒，將這兩種氣體冷卻至極低溫後，可將更多燃料擠入燃料槽。
燃料槽在太空飛行期間會曝露在不同的熱源之下，像是引擎廢氣、太空船摩擦大氣層產生的熱，還有來自太陽的熱。為了讓燃料保持液態，燃料槽不但要有良好的絕熱能力，同時也要能忍受內部液體燃料的極端低溫。
一般而言，這些燃料都裝載於重金屬槽，不過NASA與波音公司都致力於發展革命性的綜合材質燃料槽，將比標準低溫槽輕30%。未來這些燃料槽將能攜帶更多燃料，使太空船能飛到太空中更遠的地方。
讓金屬更堅韌當金屬從液態冷卻成為固態時，會形成晶體結構，個別原子也會排列成有規律的晶格，但這種方式通常會產生缺陷。傳統上會用熱處理來補救，也就是讓金屬再變回液體，以減低壓力、填補空隙，但這種工序並不夠完全。只要運用低溫學，熱處理鋼無法補救的缺陷與應力都能被去除。
熱處理之後，金屬被緩慢冷卻至接近絕對零度；這個工序允許結構內部的特定成分移動，以填補微觀缺陷，使結構更為均勻。這種方式能減低應力，產生更緊密、更具韌性的金屬。經過冷處理的金屬能用來製造高爾夫球桿與棒球棒；金屬的結構越緊密，振動越小，也就會傳遞越多能量給球。
本圖節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期（2015年12月號），全見版請點擊本圖放大。
治療運動傷害並非所有低溫冷凍技術都已發展成熟，如同體育界最近才興起所謂的「全身性低溫療法」（whole-body cryotherapy）。過去是用冰敷或浸泡冷水來治療運動傷害，而這種新療法則是透過讓患者在低溫室裡冷卻全身，以減輕運動傷害、肌肉與關節疼痛或是關節炎等症狀；這種療法奠基於日本在1970年代的一項研究。和水相較之下，空氣的導熱能力較差，因此與傳統泡冷水的方法比起來，待在低溫室時，身體的核心溫度受到影響的機率較低。
患者在進入以氮氣冷卻的房間後，會曝露在低於攝氏-100度的環境下約三分鐘。患者的四肢有衣服、手套、襪子、面罩和內衣覆蓋，但其他部位的皮膚就會曝露在極低溫之下。此時身體的自然反應是切斷對皮膚的血液供應，並將血液導向核心部位，讓熱量的流失降至最低，並維持適當的體溫。這種療法的副作用是讓大腦釋出稱為腦內啡的天然止痛劑，使人忘卻疼痛、感到愉快。
治療關節炎冷療（Cryotherapy）的研究是為了治療關節炎之類的病症。曝露在低溫下可減緩神經傳導，透過降低肌梭的反應，將有助於減低肌肉痙攣；這種現象在生活中能輕易驗證，只要試想當你從天寒地凍的戶外進入室內後，嘗試用凍僵的手指解開你的上衣鈕扣。
寒冷的溫度也被認為能降低發炎關節裡具破壞性的酵素的活性，這種酵素叫做膠原酶，膠原酶會破壞骨頭上具保護功能的膠原蛋白軟骨。
針對許多關節功能失調病患的研究顯示，冷療能暫時降低患者的疼痛感，並維持大約90分鐘，讓病患有空檔在這段時間內進行物理療法或是其他介入療法，否則患者在治療過程中可能會感到非常不舒服。由此可知，即使冷療不具有長期療效，但是在與其他療法結合之後，仍然有顯著的醫療效益。
冷療手術極低溫帶來的破壞作用已被應用於醫學治療；液態氮的極低溫度現今普遍用在消除疣或癌細胞等異常細胞。
這種療法的進行方式會根據不同狀況而有些微差異，可能會利用棉花棒、噴槍，或是名為冷凍探頭（cryoprobe）的中空管將液態氮直接噴灑於身體受感染的部位。
冷療手術會迅速將受傷的組織冷凍，並消滅掉異常細胞。這種療法比藥物治療更為精確，可能傷及的周圍組織和疼痛感也會比外科手術更小。
本圖節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期（2015年12月號），全見版請點擊本圖放大。
超低溫保存法在極低溫之下，生物程序會近乎停止；缺乏熱能導致酵素活性趨緩，活細胞幾乎能被無限期保存。
不過，活細胞的超低溫保存準備工作絕非易事。細胞的微觀結構相當脆弱，因此可能在低溫時被內部膨脹的水分脹破、變成碎片；當水形成冰後，溶解出的離子、鹽分和其他分子也會濃縮，擾亂細胞內原本的化學平衡。
低溫保護劑（cryoprotectant）這種化學物會被用來保護細胞，以避免上述的情況發生；其中的甘油、二甲基亞碸（dimethyl sulfoxide，簡稱DMSO）或糖會被用來取代水分，阻止冰晶形成，或改變其形狀與大小。接著會用液態氮迅速冷卻細胞，使其越過所謂的玻璃轉化溫度（glass transition temperature），之後水分就會凍結成一種像玻璃而不像冰的固體，然後這些細胞就能安全地貯存在低溫的液態氮蒸汽裡。
本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期（2015年12月號）
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