图:诺贝尔基金会,1913 /《Les Prix Nobel 1913》(公有领域)
海克·卡末林·昂内斯
Heike Kamerlingh Onnes1853–1926 · 生于荷兰格罗宁根 · 荷兰
把氦气变成液体、把汞的电阻变成零的人
诺贝尔物理学奖 1913 对低温下物质性质的研究,特别是液氦的制备
「我愿把「通过测量达到知识」写在每一间物理实验室的门楣上。」
—— 昂内斯讲演,其莱顿实验室铭文「Door meten tot weten」(通过测量达到知识)
在十九世纪与二十世纪之交,物理学家争相做一件听起来像炼金术的事:把当时被认为「永久气体」的氦变成液体。最先做到的人,不是理论家,而是一位荷兰实验物理学家。他在莱顿大学门口挂下一句座右铭——Door meten tot weten,通过测量达到知识。正是这条笨拙而固执的路,把他带到了 4.2 开尔文,也带到了物理学最意外的一场发现面前。
从煤气表到液氦
昂内斯的起点很具体。他在格罗宁根长大,后来师从范德瓦尔斯,研究的是气体在高压低温下如何偏离理想状态。范德瓦尔斯方程给了他一把钥匙:要真正理解物质,就得把温度和压强逼到极端。1882 年昂内斯到莱顿大学执教后,索性把这把钥匙变成一整个机构——他建立低温实验室,训练技工,设计真空泵、压缩机和精密温度计,把「测得更低、更准」变成一项可以世代相传的手艺。1908 年 7 月 10 日,他的团队终于让氦气液化,温度降到约 4.2 K。这是人类第一次触碰如此接近绝对零度的区域。
电阻突然不见了
有了液氦,低温不再只是竞赛。昂内斯开始系统地测量金属在极低温下的电阻。当时流行两种猜测:一种认为电阻会随温度下降而缓慢减小,另一种认为它会在极低温处重新上升。1911 年,他的助手测量汞时,看到的却是第三种结果——电阻不是「变得很小」,而是突然掉到零,像撞进了一扇被关上的门。昂内斯起初怀疑是短路,反复清洗样品、更换引线,结论仍然一样。4 月 28 日,他向阿姆斯特丹皇家科学院报告了这一现象,并把它命名为超导性。
超导的起点
那一页实验记录后来成了凝聚态物理最著名的起点之一:一块在极低温下失去电阻的金属。此后近半个世纪,爱因斯坦、玻尔、海森堡、朗道都试图解释它,却一一落空;直到 1957 年 BCS 理论才给出答案——电子在晶格振动的撮合下两两结成库珀对,集体退出可以被单独散射的行列。而这一切之所以能被提出,是因为 1911 年有个人把问题从「低温下会怎样」变成了可以写进表格、可以被重复、可以被追问的具体数据。今天 MRI 里的超导磁体、粒子加速器的线圈、量子计算机的超导比特,都站在那个 4.2 K 的发现之上。
莱顿实验室成了低温物理的耶路撒冷:前来学习的人带走了液氦技术,也带走了「通过测量达到知识」的信条。昂内斯本人却在盛名中保持着那种近乎工匠的谦逊。1926 年他去世时,实验室已经能稳定制造液态氦,而超导是什么,仍是一封没有拆开的信。他留下的不是答案,而是把信递到世人手里的那双手。
代表方程
对应态定律的现代形式
用临界点把压强、温度、体积都换成「相对值」后,不同气体的行为会落到同一条曲线上。昂内斯在莱顿用精密等温线为这套图像提供数据,也由此一路走向极低温。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.昂内斯《汞的电阻》,莱顿物理实验室通报第 120b、122b、124c 号(1911)——超导的发现
- 2.巴丁、库珀与施里弗《超导理论》,《物理评论》第 108 卷第 1175 页(1957)