一个简单的电学实验，造就了一个有趣的研究领域

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一个简单的电学实验，造就了一个有趣的研究领域是怎么回事，是真的吗？2019年12月30日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                一个简单的电学实验，造就了一个有趣的研究领域
                               
                                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？
                               
                               


Heike Kamerlingh Onnes在莱顿的实验室。图片来源：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。图片来源：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。图片来源：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，那就没有什么能阻挡电流，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。图片来源：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，就没有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？

原文链接：https://theconversation.com/zero-zero-still-zero-the-most-beautiful-discovery-in-quantum-physics-117540