互动科普

在世纪之交为达到接近绝对零度的那场竞赛中，出乎意料地发现了电流的无电阻流动。

超导性——电流中电阻消失——是自然界的一种奇特现象。1987年3月，在被某些人称为“物理学界的伍斯托克(狂乱集会)”的那次会议上，数百名科学家拥挤在纽约市希尔顿大饭店的舞厅里聆听抢先报道的关于比以前所报道的温度高得多的超导性。在此之前30年John Bardeen,Leon N, Coeper和J.Robert Schrieffer确立了对超导性作出最好解释的理论基础。在理论探索和寻找在更高温度下具有超导性的材料的过程中几乎被人遗忘的是超导性的发现者、杰出的实验物理学家Hcike Kamerlingh Onnes的研究工作。

Onnes是一个对寒冷入迷的人。当他于1913年12月的一天在斯德哥尔摩接受诺贝尔物理奖的时候，严寒的天气无疑增添了他的快乐。他的主要研究目标是定量研究气体在极低的温度下的行为；让他达到更低温度的实验计划也导致了超导性的发现。

Onnes 1853年生于荷兰东北部的格罗宁根。他的父亲拥有一个砖瓦厂，但他母亲更具艺术气质的性格看来影响了整个家庭。他的兄弟和侄儿都成了著名的画家，他的妹妹嫁给了著名的莱顿画家Floris Verster，而Onnes自己在年轻时期就曾涉足于诗歌。Onnes的诗人气质还可以在他的实验室备忘录中看到蛛丝马迹：“Door meten tot weten(从测量到知识)”然而，Onnes的诗人热情只是在他后来对低温物理学的追求中才被充分点燃。

1870年，Onnes，进入格罗宁根大学学习物理学。他显然有点爱好漫游，因为他第二年就转学到了德国的海德堡大学。在那里，他师从化学家Robert Bunsen(在高中的化学实验课上点过本生灯的人对这个名字一定不会陌生)和物理学家Gustay Kirchhoff 1873年他又回到了格罗宁根。5年后，他在格罗宁根大学证明了地球自转对一个短摆的影响，完成博士论文答辩。记录指出，在作答辩结论时，他的评审者们给予了热烈的掌声。

在他的博士生研究将要结束时，Onnes结识了当时在阿姆斯特丹大学任物理学教授的Diderik van der Waals(范德瓦耳斯)。十七世纪末，英国爱尔兰裔科学家Robent Boylc(波意尔)证明了对于任何给定温度下的气体来说压力与体积成反比，自那以后，气体的性质已经基本上为人们所了解了。所得到的描述气体行为的方程式适用于一种设想出来的理想气体，这种气体的分子并不占据体积，相互之间也没有施加任何力。然而，随着测量技术的改进，化学家和物理学家开始注意到实际情况与理想的气体行为的偏差。

范德瓦耳斯着手研究一种对真实气体的准确描述，他把真实气体分子所占据的实际体积以及气体分子之间的相互作用力都考虑了进去。1873年，他成功地提出了范德瓦耳斯定律，用来描述各种气体的真实气体行为。7年后他出版了对比态定律：可以用来描述所有真实气体行为的单一方程。虽然Onnes在力学方面的研究堪称楷模，他却发现自己对于追随范德瓦耳斯去探索气体行为方面更感兴趣得多。

逐级实现氢的液化

1882年，Onnes被莱顿大学任命为物理学教授。虽然在力学和电磁学研究中定量技术仍然占主导地位，但对物质的研究(而不是对力的研究)却仍然往往是相当定性的。Onnes着手使定量分析更加普遍；对于他来说，必须用数学的严密性来对待科学问题。

检验范德瓦耳斯的观点的唯一方法是在极端条件下测量气体的行为。例如，在极低的温度下，一种特定的气体与理想气体定律的偏离将增大而遵循范德瓦耳斯对真实气体的预言。对极冷条件的需求导致了Onnes在莱顿大学建立一个低温实验室。(1932年该实验室被更名为Kamerlingh Onnes实验室。)为了培训技术人员以制作低温研究所必须的精密复杂的仪器，他创立了仪器制造者培训促进会(the Society for the Promotion of the Training of Instrument Makers)。这所学校就设在莱顿大学内，培养出了许多技艺高超的技师，其中有为他和全世界许多其他研究人员制作玻璃仪器的玻璃吹制工。

1877年法国物理学家Louis P.Cailletet和瑞士科学家Raoul P. Pictet各自都成功地液化了氧和氮。在这一成就之前，科学界中的许多人都认为氧气、氮气以及氢气是无法液化的。(虽然已经在太阳光谱中看到了氦，但这种气体一直到1895年才在地球上发现)。困难在于达到液化这些气体所需耍的超低温度。Cailletet和Pictet所能生产的液化气体的量极少。然而Onnes为了从事他的研究需耍很大量的液化气体。

到了1892年，Onnes成功地研制出了一套能生产大量液化气体的装置。这一系统利用了称为阶式流程的工艺，该工艺将一系列具有越来越低的冷凝温度的气体进行压缩，在冷却到它们的液化点后再让它们膨胀，从液体中蒸发出来的蒸汽将这一系列气体中下一个受压缩蒸汽冷却。Onnes从氯代甲烷开始，在5个大气压下，氯代甲烷在摄氏21度冷凝成液体。他依次冷凝了乙烯(3大气压，- 870C)氧气(17大气压，-1450C)。最后是空气(1大气压，-1930C)。

然而，为了使氢气液化，温度必须显著地接近绝对零度，这就使得建造液化装置的工作更加复杂。根据描述理想气体行为的定律，在恒定的体积下，压力随温度而下降。在理论上，在-273.15℃(尽管在这一温度下理想气体已经应该液化了)压力应力零。这一温度定义了开氏温标上的零度，被称为绝对零度，因为这是所能得到的最低温度。

1898年，苏格兰低温物理学家Jams Dewar通过利用称为焦耳-汤姆逊膨胀的热力学效应实现了氧的液化，从而超越了Onnes所谓焦耳-汤姆逊效应指的是，当一种气体通过一个阀门膨胀时，它的温度会发生变化，通常是温度降低，将焦耳-汤姆逊膨胀作为阶式工艺的一部分，Dewar使它成为氢气液化的关键。因为如果先让氢气冷却到-800℃以下，然后再让它膨胀，它的温度会进一步下降。(奇怪的是，在-800℃以上时，氢在膨胀时反而会变热，这就是这一温度被称转化温度的原因。)这样，Dewar把氢的温度降到了它的液化温度，大约-2530℃，即20°K。    

Dewar的装置只生产出少量的液态氢。然而，这一结果也许并没有让他失望。Onnes似乎一直是为了在低温下观察气体的行为，而Dewar的目的只是设法实现接近绝对零度的温度。然而，正是Onnes被人们称为“绝对零度先生”。

Onnes的兴趣在于要比Dewar生产多得多的液化氢，这也是为什么他直到Dewar液化氢气的八年之后才液化了氢气的原因之一。另一个原因是莱顿社会各界对此有所担忧。1807年，在拿破仑占领荷兰期间，有一条军火船在莱顿市中心的一条运河里发生了爆炸。Onnes的实验室正是建在城内爆炸摧毁的那个地区。1896年当市政府知道该实验室内贮存有相当大量的压缩氢气(一种可怕的易燃气体)时，对军火船爆炸的陈年记忆在他们中间引起一片惊慌。当局指派了一个专门委员会来调查这一事态。但是即使委员会中包括范德瓦耳斯，而且Dewar还写了一封信恳求市政府能允许这项研究继续进行，Onnes的氢气研究项目还是被中止了两年之久。

氦液化成功

到了1906年，Onnes和他的研究小组研制成功了一套装置，该装置利用焦耳-汤姆逊膨胀能生产出比较大量的液态氢。该液化装置把氢气进行压缩，再把它通过一个受液态空气冷却的区段，然后让它膨胀，从而把氢气冷却到足以使其中一部分液化。所剩下的气态氢被捕集后送回该装置用于再一次液化。起初，该装置每小时可以生产4升液态氢。经过一些进一步的改进后，产量达到了每小时13升。

1895年，正当Onnes和Dewar在尝试氢气的液化时，英国的William Ramsay发现了地球上的氦。氦是惰性气体中最轻的，氦原子之间所施加的力极弱。这种弱的相互作用使得氦的冷凝温度极低。原本梦寐以求的液化氢气的目标，现在变成了液化氦气。Onnes写道:“我立刻下决心要实现我的最终目标。”

第一步是要获得足够数量的这种新发现的氦气。幸运的是，Onnes的兄弟是阿姆斯特丹商业情报办公室主任，有权设法从北卡罗来纳州买到大量的独居石矿砂，这种矿砂中含有氦。从运来的矿砂中，Onnes能够提取大约300升的氦气(在1大气压下)。要试图实现氦气的液化，关键的问题是要能稳定地供应液态氢。Onnes设计了一种新的装置，它使用液化空气并最终使用液态氢作为冷却剂。焦耳-汤姆逊膨胀再一次被用来尝试对氦气的冷凝并获取几滴珍贵的液态氦。1908年7月10日，该装置建成并投入运转，消息在莱顿大学传遍了。一小批科学家聚集在一起，观看这一重大实验。

下午，氦气流过装置，但傍晚时仍不见有液态氦出现，温度计也一直没有降到4.2 °K以下。有一位叫Fransiscus Schreinemakers的化学教授偶然提到，也许温度计读数已经停止了下降，因为实际上己经有了液态氦只是无法看到而已。Onnes设法从下面照亮收集器。他后来回忆说，这是一个奇妙的时刻，在收集器的玻璃壁上突然清楚地显示出液态氦的表面，看上去好象一片刀刃。他因为太高兴了，忘记了把液态氦指给范德瓦耳斯看。通过降压，Onnes把温度降到了1.7K，在当时，这一温度接近绝对零度的水平足以令人心潮难平。他们使用氦气温度计来测量这些极低的温度。(在恒定体积和低温下，在温度计中的氦的行为与理想气体的行为接近得足以允许进行温度测量：因为压力乘体积与温度成正比，测量恒定体积下的压力就等于测出了温度。)

在随后的三年中，Onnes致力于研制用于液态氦研究的更佳装置。仅仅把液态氦从氦冷凝器里移到贮存器就存在着巨大的技术困难。最终在1911年，一种能够把液态氦保持在恒定低温下的氦低温恒温器研制成功了，它可用于研究在液态氦温度下的其它物质的行为。

深冷与电流

在那个时候，金属中的电阻随温度的降低而降低这一现象已广为人知。然而，当温度接近绝对零度时，电阻会发生什么变化却处于激烈争论之中。Kelvin爵士认为，电子的流动虽然随着温度的降低而看上去有所改善。就像电阻降低所指示的那样。但实际上都有可能完全停止，电子变得被冻结在原地不动。因此，在绝对零度下电阻将无穷大。包括Onnes和Dewar在内的其他人则提出，随着温度下降，电阻将以一种有规律的方式继续下降，在绝时零度则最终达到零。(1905年，德国的Walther H.NernSt证明，热力学定律禁止在实验上达到绝对零度。此后，利用稀有的同位素氦3达到了0.3°K，原子核的去磁化作用产生了低到0.00001  °K的温度。)实际上发生的事是惊人的，而且鉴于1911年时人们对原子水平上物质性质的理解，也是完全意料不到的。

由于金属中的杂质有可能干扰电流，使得实验结果不准确，Onnes决定用汞来做实验。他能在室温下反复蒸馏液态汞，从而制成用于低温实验的极纯净的样品。汞被装进一根U型的玻璃毛细管，毛细管的两端有电极，因此即使在汞处于液态时也能测量通过它的电流。最后，汞被冷却成一根固态导线。在所有测定温度下，Onnes的研究小组都发现了预期的有规律电阻下降。然而在可以测到的高于绝对温度的液态氦温度下，电阻已经表现出完全消失了。

Onnes、技术主管Gerrit Flim、他们的同事Gilles Holst和Cornelius Dorsman进行了这些实验。Onnes和Flim照看着冷却汞的低温试备，而Holst和Dorsman坐在50米外的一个暗室中，记录着电流计上的电阻读数。

莱顿低温实验室的一位研究员Jacobus de Nobel近来讲述了1931年他年轻时到莱顿听到Flim所讲的故事。(当然，读者对这种故事不必太认真，因为经过了那么长的时间，又是第三手资料。)反复的试验都指示在液态氦温度下电阻为零。这些研究人员认为，这大约是由于某种短路造成的，于是就用一根W型毛细管代替了U型管。在W管的两端和弯头处都有电极，共有4个用于测量的不同管段。然而电阻仍然为零，在任何一段中都没有发现短路。

他们继续重复这一实验。一个仪器制造学校学生被请来观察连接在实验装置上的一个压力表读数。要求低温恒温器里的氦蒸汽压比大气压略低，这样如果有微小的泄漏点的话，空气就会涌进去，冷冻起来把泄漏点封死。在有一次实验过程中，这位年轻学生打了磕睡。压力慢慢地上升了，温度也慢慢上升。当温度上升到接近4.2°K 时，Holst看到电流计读数因电阻的出现而突然上跃。

按照de Nobel的故事，Holst是在不知不觉中观察到了这一转变：汞从通常的导电性转变成Onnes所说的“超导性”状态。重复的试验使Onnes相信，汞在4.2°K 左右突然失去电阻是真实的。1911年11月，他以“关于汞的电阻消失速率的突然变化”为题，发表了这一发现。后继的用锡和铅进行的试验表明，如果得到充分的冷却，许多金属都具有超导性。

到了1914年，Onnes在用铅制成的超导线圈中实现了稳恒电流，即他所称的“持续超导电流”。这个线圈被放置在一个低温恒温器中，由外部磁场诱导出电流。由于没有电阻，线圈中的电子得以自由地持续流动。在观看了这种电流以后，奥地利-德国物理学家Paul      Ehrenfest写信给荷兰的物理学、诺贝尔奖获得主Hendrik Lorentz：“看到这些‘稳恒’电流对一根磁针的感应让人感到不可思议，你似乎能感知电子环在导线中如何一圈又一圈慢慢地又没有摩擦地旋转”。

然而Onnes很失望地发觉，即使很小的一个磁场也能扑灭超导性。这种敏感性意味着尽管没有电阻，也只能有少量的电流可以通过超导材料——足够强大的电流所产生的磁场会使超导性丧失。在Onnes的有生之年，这一问题成了他的发明投入实际应用的最大障碍。允许较大电流和相伴磁场存在的材料及其加工工艺要经过半个世纪后才发现。本世纪后半叶中，超导性研究的进展中最著名的重大实际应用是磁共振成像(MRI)设备，它已经成为现代医学诊断中的主要依靠手段。

Heike Kamerlingh Onnes于1926年逝世。严重的支气管疾病迫使他离开实验室到瑞士长期休养，因此他的成就更加显得突出。他本人不能亲临现场显然不能阻止他指导实验室的研究人员——即使死亡也不能使他停顿。按照莱顿人的传说，他的葬礼比预计的要长，迫使送葬队伍只能跑步通过市区，以赶到附近的伏希顿村及时下葬。据说就在送葬队伍急急忙忙赶路时，Gerrit Flim评论道:“这就是那位老人的风格，即使现在他还让我们忙个不亦乐乎。”

虽然在他的有生之年，超导性一直是一个深奥的科学研究领域，Onnes却坚定地相信，无电阻电流最终将会导致许多实用装置的诞生。悬浮列车和超导输电线是人们谈论得最多的两大潜在应用项目。目前正在奋力寻找的能在更普通温度下实现超导的材料，有可能使Onnes的发现成为日常生活的一部分。

〔王世德 译 郭凯声 校〕