一个简略的电学试验造就了一个风趣的研讨范畴

转自：环球科学

哲学园鸣谢

Heike Kamerlingh Onnes在莱顿的实验室。图片来自：Marine Joumard

撰文：Julien Bobroff

翻译：费哲妮

审校：潘燕婷

这个故事发生在荷兰的莱顿大学。当你进入实验室时，会被泵的大小和它们震耳欲聋的声音震惊，就连地板都在颤动。房间内的三位物理学家都很忙：Grrit Flim是团队的工程师，他正在照看一个插满了管和线、还结着霜的白色大缸。Cornelis Dorsman正在帮他。他们后面还站着实验室的主管Heike Kamerlingh Onnes。这位57岁的物理学家头发稀疏，有着粗犷的胡须，他一尘不染的衬衫外面套了一件实验服，而现在他正监视着实验操作，一丝不苟地记着笔记。

在他右边的管道中，传来一个男人的声音：“零、零，还是零！”这条管子通向一个隔壁的房间，刚刚25岁的物理学家Gilles Holst就在那里，坐在发电机的对面。他的眼睛紧盯着墙上的光点，沙哑地吼叫着，但此刻并没有起到什么作用，因为现在实验中所发生的事真的超乎常人理解。

让我们凑近仔细看看这些实验设备，从一个白色大缸开始，它是一个玻璃低温恒温器，就像一种很大的热水瓶，完美地将其内部的物体与室温隔离。这并不令人惊奇，因为此刻低温恒温器内达到的温度开创了历史新低：-269°C。换句话说，它只比绝对零度高四度，这几乎比实验室冷上100倍，比地球上任何地方，哪怕是南极也要冷上50倍。三年前 ，Kamerlingh Onnes利用液氦就创下了这一历史性的纪录，这也给他赢得了“绝对零度先生”的称号。

用液氦测金属的导电性

让我们回到1911年4月的一个星期六，当时Kamerlingh刚开始决定测试金属的导电特性。他想了解的问题很简单：当金属处于极低温环境下时，它的导电性会变强还是变弱呢？电子能导电，会表现得像一种带电液体在原子间流动。为了分析金属的导电行为，你只需测量它们的电阻，电阻越小，电流更易流动。绝缘材料的电阻，比如说塑料的电阻能达到铝或水银的十亿倍。这不仅让Kamerlingh Onnes想到：如果当金属被冷却时，电子会不会也被固定在原地，因而没法导电呢？当金属达到液氦的温度时会不会就变成绝缘体了呢？低温时电阻会不会接近无穷大呢？

“测试”黄金

比起预测实验结果，Kamerlingh Onnes更喜欢进行实验操作，正如在他实验室入口的箴言：“通过测量获得知识”。他选择了一种在室温下处于液态的金属——水银，原因主要在于水银能通过蒸馏提纯，测试线也能直接没入其中，无需进行焊接。为了测量电阻，他的团队使用了当时（1911年）能获得的最复杂的技术：惠斯通电桥和镜式灵敏电流表。惠斯通电桥是一种能比较水银电阻和其他已知电阻的电路。利用镜面反射光束，灵敏电流表能显示被测量电阻的阻值。

在隔壁的Holst，观测着光点指的位置并对着管道喊出电阻值。他离实验设备有一定距离，这是为了能够更好的保证泵的震动不会干扰用于测量的灵敏电流表或者光束。这里没有IT、示波器或多用电表，所有的工作都是由手和眼来完成的。

Holst通过一根管子向他的同事喊出电阻值。图片来自：Marine Joumard

难以置信的Holst坚定地喊出“零！”水银的阻值是零，至少灵敏电流表是这么显示的。测量的实验结果看似那么不可能，它与所有的预测结果都相悖。物理学家们一开始以为一定是哪里短路了，导致电流直接绕过水银流到另一边，就好像水银没有被接入电路，造成了水银零电阻的假象。

他们决定预加热样本来检查电路连接，而这一举动引发了第二个大惊喜：就在温度刚刚上升超过-269°C，光点瞬间移动了，阻值不再为零了，也就是说根本就没有发生短路。阻值的瞬间下降既可以反转也能重现，并且总是在-269°C的时候被观察到阻值为零。Kamerlingh Onnes在笔记本上记下：“水银电阻为零”，之后又接着写上：“测试黄金”。

Kamerlingh Onnes测量的水银阻值在4.2开尔文一下立马降到零。电子再也不会减速。图片来自：Marine Joumard

永恒的运动

后来，Kamerlingh Onnes把这突然又出乎意料的现象命名为“超导性”。他在两年后获得诺贝尔奖的那一天想出了这个名字。超导体描述了某种金属在某个特定和精确的温度下完美的导电能力。之后，许多种金属都被测出具有超导性，包括铝、锡和铅。

一年后，Kamerlingh Onnes做了一个更奇怪的实验。他造了一个锡环，并把它接上电源，使其内部产生电流。随后他将这个环冷却使它达到超导状态，并拔掉电源。如果电阻真的是零的话，那就没什么能阻挡电流，它就会困在环里面，永远循环下去。

Kamerlingh Onnes等了一会儿，然后在环的附近放了一个指南针。令人惊奇的是，指针摇摆了起来，这证明了环内流动的电流创造了一个磁场。通过这次演示电流被永远困在超导体内的实验，Kamerling Onnes确认了超导体惊奇的特性。

核磁共振扫描、世界上最快的列车和电缆都是一些超导性的应用。图片来自：Marine Joumard

人们会说Kamerlingh Onnes因为幸运而发现这一现象。他们甚至认为这只是机缘巧合或美好的意外，但事实并非如此！的确，他没有预期到发现的结果，但意料之外的东西并非就是随机发生的。这一发现是十多年齐心协力努力的结果，研究团队中包含了伟大的物理学家、工程师和出色的技术员，他们从一开始就想在绝对零度下探测物质，并为此不辞辛劳地工作。

45年后，人们才了解这一奇特现象背后的原因。金属中的电子表现得就像量子波一样。在极低的温度下，由于原子的震动，电子结合在一起，一开始是两个一然后逐渐增多，形成了一个巨大的量子波。这种波一旦形成，就没什么东西能影响它了，也就没有了阻值。更酷的是，如果你拿一块磁铁靠近它，它会创造出一个磁场，使超导的量子波旋转。然后，量子波又会形成一个磁场，类似一个通电线圈，排斥磁铁让它悬浮。

尽管超导体已被发现一个多世纪，但有一些超导体仍然还是个一个迷。在1986年发现的铜酸盐，是目前在常压下工作时候的温度最高的超导体。但我们还不知道电子在那些条件下如何形成巨大的量子波，还也是现今物理遗存的一个巨大挑战，是许多研究项目的核心。

不知Kamerlingh Onnes是否想到过，在他嘈杂的实验室里，一个简单的电学测量造就了一个最有趣的研究领域呢？