一個簡單的電學實驗，造就了一個有趣的研究領域,現在下載,新用戶還送新人禮包,

如果當金屬被冷卻時，個簡電子會不會也被固定在原地，單的電學的研因而沒法導電呢？當金屬達到液氦的實驗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？

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有趣域萊頓大學。當你進入實驗室時，究領會被泵的個簡大小和它們震耳欲聾的聲音震驚，就連地板都在顫動。單的電學的研房間內的實驗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、有趣域還結著霜的究領白色大缸。Cornelis 個簡Dorsman正在幫他。他們后面還站著實驗室的單的電學的研主管Heike Kamerlingh Onnes。這位57歲的實驗物理學家頭發稀疏，有著粗獷的有趣域胡須，他一塵不染的究領襯衫外面套了一件實驗服，而現在他正監視著實驗操作，一絲不茍地記著筆記。

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就在那里，坐在發電機的對面。他的眼睛緊盯著墻上的光點，沙啞地吼叫著，但此刻并沒有起到什么作用，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，它是一個玻璃低溫恒溫器，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。這并不令人驚奇，因為此刻低溫恒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：當金屬處于極低溫環境下時，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于液態的金屬——水銀，原因在于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）能獲得的最復雜的技術：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并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于測量的靈敏電流表或者光束。這里沒有IT、示波器或多用電表，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么顯示的。測量的實驗結果看似那么不可能，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里短路了，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，并且總是在-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”，之后又接著寫上：“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

永恒的運動

后來，Kamerlingh Onnes把這突然又出乎意料的現象命名為“超導性”。他在兩年后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。之后，許多種金屬都被測出具有超導性，包括鋁、錫和鉛。

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

Kamerlingh Onnes等了一會兒，然后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，但事實并非如此！的確，他沒有預期到發現的結果，但意料之外的東西并非就是隨機發生的。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，并為此不辭辛勞地工作。

45年后，人們才了解這一奇特現象背后的原因。金屬中的電子表現得就像量子波一樣。在極低的溫度下，由于原子的震動，電子結合在一起，一開始是兩個一然后逐漸增多，形成了一個巨大的量子波。這種波一旦形成，就沒有什么東西能影響它了，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。然后，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。

盡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，在他嘈雜的實驗室里，一個簡單的電學測量造就了一個最有趣的研究領域呢？

原文鏈接：//theconversation.com/zero-zero-still-zero-the-most-beautiful-discovery-in-quantum-physics-117540