一個簡單的電學實驗,造就了一個有趣的研究領域

轉自：環球科學

哲學園鳴謝

Heike Kamerlingh Onnes在萊頓的實驗室。圖片來源：Marine Joumard

撰文：Julien Bobroff

翻譯：費哲妮

審校：潘燕婷

這個故事發生在荷蘭的萊頓大學。當你進入實驗室時，會被泵的大小和它們震耳欲聾的聲音震驚，就連地板都在顫動。房間內的三位物理學家都很忙：Grrit Flim是團隊的工程師，他正在照看一個插滿了管和線、還結著霜的白色大缸。Cornelis Dorsman正在幫他。他們後面還站著實驗室的主管Heike Kamerlingh Onnes。這位57歲的物理學家頭髮稀疏，有著粗獷的鬍鬚，他一塵不染的襯衫外面套了一件實驗服，而現在他正監視著實驗操作，一絲不苟地記著筆記。

在他右邊的管道中，傳來一個男人的聲音：「零、零，還是零！」這條管子通向一個隔壁的房間，剛剛25歲的物理學家Gilles Holst就在那裡，坐在發電機的對面。他的眼睛緊盯著牆上的光點，沙啞地吼叫著，但此刻並沒有起到什麼作用，因為現在實驗中所發生的事真的超乎常人理解。

讓我們湊近仔細看看這些實驗設備，從一個白色大缸開始，它是一個玻璃低溫恆溫器，就像一種很大的熱水瓶，完美地將其內部的物體與室溫隔離。這並不令人驚奇，因為此刻低溫恆溫器內達到的溫度開創了歷史新低：-269°C。換句話說，它只比絕對零度高四度，這幾乎比實驗室冷上100倍，比地球上任何地方，哪怕是南極也要冷上50倍。三年前 ，Kamerlingh Onnes利用液氦就創下了這一歷史性的紀錄，這也給他贏得了「絕對零度先生」的稱號。

用液氦測金屬的導電性

讓我們回到1911年4月的一個星期六，當時Kamerlingh剛開始決定測試金屬的導電特性。他想了解的問題很簡單：當金屬處於極低溫環境下時，它的導電性會變強還是變弱呢？電子能導電，會表現得像一種帶電液體在原子間流動。為了分析金屬的導電行為，你只需測量它們的電阻，電阻越小，電流更易流動。絕緣材料的電阻，比如說塑料的電阻能達到鋁或水銀的十億倍。這不僅讓Kamerlingh Onnes想到：如果當金屬被冷卻時，電子會不會也被固定在原地，因而沒法導電呢？當金屬達到液氦的溫度時會不會就變成絕緣體了呢？低溫時電阻會不會接近無窮大呢？

「測試」黃金

比起預測實驗結果，Kamerlingh Onnes更喜歡進行實驗操作，正如在他實驗室入口的箴言：「通過測量獲得知識」。他選擇了一種在室溫下處於液態的金屬——水銀，原因在於水銀能通過蒸餾提純，測試線也能直接沒入其中，無需進行焊接。為了測量電阻，他的團隊使用了當時（1911年）能獲得的最複雜的技術：惠斯通電橋和鏡式靈敏電流表。惠斯通電橋是一種能比較水銀電阻和其他已知電阻的電路。利用鏡面反射光束，靈敏電流表能顯示被測量電阻的阻值。

在隔壁的Holst，觀測著光點指的位置並對著管道喊出電阻值。他離實驗設備有一定距離，這是為了保證泵的震動不會干擾用於測量的靈敏電流表或者光束。這裡沒有IT、示波器或多用電錶，所有的工作都是由手和眼來完成的。

Holst通過一根管子向他的同事喊出電阻值。圖片來源：Marine Joumard

難以置信的Holst堅定地喊出「零！」水銀的阻值是零，至少靈敏電流表是這麼顯示的。測量的實驗結果看似那麼不可能，它與所有的預測結果都相悖。物理學家們一開始以為一定是哪裡短路了，導致電流直接繞過水銀流到另一邊，就好像水銀沒有被接入電路，造成了水銀零電阻的假象。

他們決定預加熱樣本來檢查電路連接，而這一舉動引發了第二個大驚喜：就在溫度剛剛上升超過-269°C，光點瞬間移動了，阻值不再為零了，也就是說根本就沒有發生短路。阻值的瞬間下降既可以反轉也能重現，並且總是在-269°C的時候被觀察到阻值為零。Kamerlingh Onnes在筆記本上記下：「水銀電阻為零」，之後又接著寫上：「測試黃金」。

Kamerlingh Onnes測量的水銀阻值在4.2開爾文一下立馬降到零。電子再也不會減速。圖片來源：Marine Joumard

永恆的運動

後來，Kamerlingh Onnes把這突然又出乎意料的現象命名為「超導性」。他在兩年後獲得諾貝爾獎的那一天想出了這個名字。超導體描述了某種金屬在某個特定和精確的溫度下完美的導電能力。之後，許多種金屬都被測出具有超導性，包括鋁、錫和鉛。

一年後，Kamerlingh Onnes做了一個更奇怪的實驗。他造了一個錫環，並把它接上電源，使其內部產生電流。隨後他將這個環冷卻使它達到超導狀態，並拔掉電源。如果電阻真的是零的話，那就沒有什麼能阻擋電流，它就會困在環裡面，永遠循環下去。

Kamerlingh Onnes等了一會兒，然後在環的附近放了一個指南針。令人驚奇的是，指針搖擺了起來，這證明了環內流動的電流創造了一個磁場。通過這次演示電流被永遠困在超導體內的實驗，Kamerling Onnes確認了超導體驚奇的特性。

核磁共振掃描、世界上最快的列車和電纜都是一些超導性的應用。圖片來源：Marine Joumard

人們會說Kamerlingh Onnes因為幸運而發現這一現象。他們甚至認為這只是機緣巧合或美好的意外，但事實並非如此！的確，他沒有預期到發現的結果，但意料之外的東西並非就是隨機發生的。這一發現是十多年齊心協力努力的結果，研究團隊中包含了偉大的物理學家、工程師和出色的技術員，他們從一開始就想在絕對零度下探測物質，並為此不辭辛勞地工作。

45年後，人們才了解這一奇特現象背後的原因。金屬中的電子表現得就像量子波一樣。在極低的溫度下，由於原子的震動，電子結合在一起，一開始是兩個一然後逐漸增多，形成了一個巨大的量子波。這種波一旦形成，就沒有什麼東西能影響它了，也就沒有了阻值。更酷的是，如果你拿一塊磁鐵靠近它，它會創造出一個磁場，使超導的量子波旋轉。然後，量子波又會形成一個磁場，類似一個通電線圈，排斥磁鐵讓它懸浮。

儘管超導體已被發現一個多世紀，但有一些超導體仍然還是個一個迷。在1986年發現的銅酸鹽，是目前在常壓下工作溫度最高的超導體。但我們還不知道電子在那些條件下如何形成巨大的量子波，還也是現今物理遺存的一個巨大挑戰，是許多研究項目的核心。

不知Kamerlingh Onnes是否想到過，在他嘈雜的實驗室裡，一個簡單的電學測量造就了一個最有趣的研究領域呢？