要准确描述有多冷多热，需要一个客观的物理概念—温度。一般来说，人体的温度在37℃左右,而烈日炙烤下的美国加州死亡谷可达56.7℃，伊朗卢特沙漠的地表温度竟可高达71℃。相比高温，地球上的低温在寒潮来袭的时候，-30℃以下的气温足以让一盆刚撒出去的热水瞬间结成冰凌。史上最冷的气温记录发生在南极最高峰文生峰顶，达到-89.2°C。
大部分物体在同一种物态(固体、气体、液体)下，一般都遵循热胀冷缩的规律。16世纪，伽利略发现了这个秘密，他根据气体热胀冷缩的原理制作了第一个空气温度计。可惜这个温度计太粗糙，以甚于没有定义一个温标。100多年后，酒精温度计问世，以氯化铵和冰水混合物的温度为0度，人体温度为100度，把水银的膨胀体积在此之间分成100等份，每一份就是1华氏度（符号℉）。后来发现人的体温有时不大靠谱，最终将水的沸点定为212℉，冰点定为32℉，这样人体体温约为98.6℉。华氏度一推出，不少科学家并不很喜欢，反而纷纷推出了自己的温标，诸如兰氏度、列氏度、摄氏度等相继出炉。最终被广泛接受的还是摄尔修斯在1740年定义的摄氏度：取一个标准大气压下的冰水混合物为0度，水的沸点为100度，这样人体体温约为37℃。不过，华氏度至今在不少欧美国家仍然普遍使用。
定义的各种温度都是依赖于测温物质的物理属性。那么，有没有一种温标，它完全可以不依赖于测温物质，只由物理基本规律决定呢？答案是肯定的。
威廉·汤姆逊（开尔文）从热力学第二定律出发，提出以热量作为测定温度的工具，即把热量作为温度的唯一量度，可以建立不依赖于任何测温物质的温标—开氏温标，亦称热力学温标，符号为K。
【所谓热量，指的是物体内能改变的一种量度，它通常以某一参照物（水）体系温度变化1度来定义热量单位。任何物质都有一定数量的内能，这与物质的微观构成有关。当两不同温度的物质体系处于热接触时，它们便交换内能，直至双方温度一致，也就是趋向热平衡。体系之间传递的能量数等同于所交换的热量数。因此，热量指的是内能的变化、系统的做功，它描述内能的变化量；而内能是状态量，是系统的态函数，对应系统的一个状态点。热传递过程中体系之间传递的热量与过程（绝热，等温，等压）相联系，即吸热或放热必然是在某一过程中进行。体系处于某一状态时，我们不能说它含有多少热量，因为热量是过程量，即过程中的变化量。】
1954年国际计量大会正式规定，一个标准大气压下，水的固液气三相点热力学温度为273.16K，冰水混合物的温度就是273.15K(注意差了0.01K)对应于0℃。回头看18～19世纪关于气体热胀冷缩的研究，1787年法国查理发现气体每升高1℃，定量气体膨胀出的体积约为0℃下体积的1/269，1802年法国盖·吕萨克精确测定这个膨胀率为1/273.15。于是物理学家干脆把0℃定义为273.15K了。在热力学温标下，温度是采用物理学基本定律严格定义温度的绝对零点（0K），称之为绝对零度，亦称为绝对温度。
温度以零为起点，往上是无上限的。我们的宇宙诞生之初，温度冲到十亿多度，历经138亿年到了今天，宇宙已经“冷静”到了2.7K，只残余一些微波背景辐射。暴露在如此低温的太空，目前只发现有一种叫做水熊虫的小生物可以生存数小时。
是否可以实现绝对零度？答案却是否定的。既然是绝对零度，当然永远不可能实现。但人类还是可以在实验室无限逼近绝对零度的。
图1：(左)水的温度-压强相图；(右)水变水蒸气与冰融化成水
如何实现低温？从水的温度变化可以得到灵感。一杯热气腾腾的开水变成凉开水，除了因为空气导热之外，水蒸发成汽也带走了不少热量。冬雪天出太阳也感觉寒冷，是因为冰雪融化成水吸收了环境中的大量热量。这告诉我们两点：环境温度导致了物体状态的变化，反之，物体状态的变化也可以改变环境的温度。除了温度，压强也能改变物体状态，例如青藏高原要用高压锅煮米饭。水的温度-压强相图明确告诉我们，水有多种物质形态，只是在一个标准大气压下冰点为0℃罢了（图1）。只要压强足够高，水蒸气完全可以在100℃下转化为固态冰，或在200℃下转化为液态水。一般来说，许多常压下的气体在足够高的压强下都可以被液化。如果让这种状况再回到标准大气压(常压)，那么这些液化气的温度就比室温要低。
常压下各种气体的沸点不一样，二氧化碳约为195K，液化石油气的主要成分乙烷是169K，氧气是90K，氮气是77K（图2）。依赖各种气体沸点和压强的差异关系，可以分离空气中的各种气体，工业上的氮气和氧气就是这么制备的。如果把液化的气体进一步减压或迅速气化，就可以得到比其常压沸点更低的温度。
图2:常压下各种气体的沸点
增大压强来液化气体的方法虽然快速高效，但人们试图进一步液化其它气体如氖气、氢气和氦气的时候，遇到了前所未有的困难。原来，先前的气体在理论上都是“理想气体”，即气体分子间距是分子直径的1000倍以上，分子大小和相互作用可以忽略不计，所以气体压强与体积、温度都成简单的正比关系。而当气体分子被压缩到一定程度时，分子本身的大小和分子之间的相互作用就不得不考虑了。1873年，荷兰莱顿大学范·德·瓦耳斯(常译成范德华)解决了这个关键物理问题。他提出了一个新的“状态方程”，考虑到分子体积和相互作用，把气体和液体当做一个可连续变化的共同体。
1882年，实验物理学家卡末林·昂尼斯进驻莱顿大学，并创建了历史上最重要的低温研究中心莱顿实验室。他的首要目标就是把还未被液化的两个气体氢气和氦气给液化，得到更低的温度环境。昂尼斯改进了英国人詹姆斯·杜瓦于1880年成功液化氧时发明的真空保温装置杜瓦瓶，理论上有范·德·瓦耳斯的指导。昂尼斯花了十余年时间在莱顿实验室建成了大型的液化氧、氮和空气的工厂。1898年通过低温下把高压氢气迅速膨胀，终于获得了液态氢（同年杜瓦也成功制备了液氢）。液氢在常压下沸点是21K，如此低的温度下，连氧都成了淡蓝色的固体。昂尼斯对液化氦气有信心，因为他掌握了液氢这个尖端武器。利用液氢，首先把氦气冷却到了20K左右的低温环境，然后让加压的低温氦气流通过他设计的一系列复杂的管道“隧道”，每过一个节点就让它体积迅速膨胀，温度就低了一点。1908年7月10日，昂尼斯终于在莱顿实验室观察到了第一股透明的液氦。液氦在常压下沸点仅为4.2K，创下了所有气体沸点的低温记录。昂尼斯的实验证明了范·德·瓦耳斯的理论是十分成功的。
图3：(a)He-4的温度-压强相图;(b)常压下液氦在4.2K沸腾;
(c)低温下超流的液氦
液氦的发明让低温物理学进入到了新篇章。液氦在常压下4.2K沸腾，如果进一步节流制冷，可以达到1.5K左右的低温。在如此低的温度下，液氦还会展现出超流的神奇现象。这时氦虽然处于液态，但氦原子之间几乎不存在范德华力，液氦完全失去了黏性，它会借助容器壁的吸附力自行往上爬，再从容器外表面慢慢流到容器的底部，变成液滴，然后像眼泪那样一滴一滴地落下（图3）
低温物理的研究，激发科学家们努力尝试各种办法获得更低的温度。把He-3和He-4同位素混在一起，改变He-3的浓度，可以做到所谓“稀释制冷”，实现10mK（1mK=1/1000K）左右的低温。利用六束激光把原子束缚在“陷阱”里，就像用无数个乒乓球从四面八方轰击振动的铅球一样，热运动中的原子会逐渐“冷静”下来，最终达到nK(十亿分之一开)的极低温。实验室低温记录由核绝热去磁的技术所创造，即把原子核磁化，然后在绝热环境下再退磁，原子核都要被“冻住”，这时原子核的温度只有0.1nK（百亿分之一开）左右。
在不断逼近绝对零度的进程中，人们除了发现超流这类神奇的物理现象外，还发现了许多新物质态。比如玻色-爱因斯坦凝聚态和分数量子霍尔效应等。前者指的是一些原子在极低温下会“集体冻僵”到低能组态，后者指的是电子在极低温强磁场下会“精神分裂”成分数化的量子态。可见，极度低温下展现出极其复杂的量子行为。
图：超冷原子的玻色-爱因斯坦凝聚图
图：分数量子霍尔效应
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