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“零,零,还是零!”

2019-07-17
 

 

文:Julien Bobroff (巴黎萨克雷大学物理学教授

 

我们今天要讲的故事是发生于1911年的莱顿大学,这所古老的大学位于荷兰的莱顿市。走进大学的物理实验室,就会发现实验室里的泵的大小和它发出的震耳欲聋的噪音着实令人震撼——甚至连地板都在随之震动。


实验室里有三位忙碌的物理学家。Gerrit Flim是团队里的工程师,他正盯着一个巨大的白色水箱,这个结着霜的水箱上插有许多的管子和电线,Cornelis Dorsman正在一旁帮忙。在他们后面的第三个人是这间实验室的主任Heike Karmerlingh Onnes(海克·卡末林·昂內斯),57岁的他留着小胡子,一尘不染的西装还套着一件实验服。他负责监督实验的运营,并一丝不苟地作着笔记。

 

○ 实验室中的Heike Karmerlingh Onnes。/ 图片来源:AIP Emilio Segrè Visual Archives


在他的右边,一个男人的高喊声从一个管道传来:“零,零,还是零!“这根管道来自隔壁的一个房间,声音的主人是年仅25岁的物理学家Gilles Holst,他坐在一台电机对面,眼睛盯着墙上的一个光点,他把自己的声音喊到嘶哑,但这其实毫无用处,因为发生在这个实验室里的一切,早已超出了可理解的范畴。


我们先来仔细看看这些设备,首先从白色水箱开始。这是一个玻璃的低温恒温器,可以把它看作是一个非常大的保温瓶,它使存放于里面的东西完全与室温隔绝。在这个低温恒温器的内部,曾达到的最低温度是零下269°C,这只比绝对零度高4度!三年前(1908年),Kamerlingh Onnes通过液化氦气,创造了这一人造低温的世界纪录,这也为他赢得了“绝对零度先生”的绰号。


1911年4月的那个周六,当时,Kamerlingh Onnes决定要测试金属的电性能。他的问题很简单:在极低的温度下,金属的导电性能是更好还是更坏?电子具有导电性,而且它们表现得就像一种电子液体一样,在原子间流动。要分析它们的行为,你只需要测量它们的电阻。电阻越低,电流就越容易流动。如塑料一类的绝缘材料的电阻就可以比铝或汞等金属的电阻高10亿倍。这让Kamerlingh Onnes想:如果将金属冷却,电子会不会也随之被冻结和固定,从而无法传导电流?金属在液氦的温度下会绝缘吗?电阻会在低温下增加到接近无穷大的程度吗?


与预测相比,Kamerlingh Onnes更喜欢实验,这与他写在实验室入口处的格言一致:“通过测量获得知识”。他先选择了水银这种在室温下呈液态的金属,因为水银可以通过蒸馏过程变得纯净,并且还可以将测量线浸入其中,不需要焊接。为了测量电阻,研究小组使用了1911年最先进的技术:一个惠斯通电桥和一个镜式电流计。“电桥”是一个用来将水银电阻与其他已知电阻进行比较的电路,电流计则能让你得出被测电阻的值。


Holst就在隔壁,他看着最后形成的光点,通过那根管道大声喊出了它的位置。他之所以要保持一定的距离,是为了确保泵所产生的振动不会干扰电流计或光束。这里没有IT,没有示波器,也没有万用表,所有的工作都是通过徒手和肉眼完成的。


Holst无法相信眼前所看到的,他固执地喊着“零!”电流计上显示,水银的电阻是零。这简直是不可能发生的事,它与所有的预测都背道而驰。物理学家们的第一想法就是可能发生了短路。如果测量线之间相互发生接触,那么电流就会直接从一根导线流向另一根导线,就像水银不存在一样,从而也就像是没有电阻。


他们决定将样品加热以检查接触情况,结果这一举动带来了当天的第二大惊喜:当温度再次上升到零下269℃以上时,光点突然开始移动。电阻重新出现了!这意味着没有发生短路。由此可见电阻的大幅度下降是可以逆转和再现的,而且这种现象总是能在精确的零下269℃时出现。Kamerlingh Onnes在他的笔记本上写下:“水银,零”,紧接着又补充道:“测测金”。


后来,Kamerlingh Onnes将这种突然的、意想不到的移动命名为“超导性”,这是两年后当他在获得诺贝尔奖的那天想到的名字。超导性描述的是某些金属在特定的精确温度下所具有的完美导电能力。后来,我们在许多金属中都测得了这种超导性,比如铝、锡和铅等。


一年之后,Kamerlingh Onnes进行了一个更奇怪的实验。他制造了一个锡环,把锡环和电池连接起来产生电流,然后他将锡环冷却使其处于超导状态,再断开电池。如果电阻真的为零,那么就没有任何东西可以抵抗其中的电流,因此电流就必须被困在圆环之中,永远绕着圆环旋转。


Kamerlingh Onnes等了一会儿,然后将一个指南针放在环的附近。令人惊讶的事发生了——指针在旋转。这证明环中仍有电流在流动,从而产生了磁场。这次,通过证明电流可以永远被困住,Kamerlingh Onnes证实了超导体的惊人特性!


有人说,遇到这种现象是Kamerlingh Onnes的幸运。有人甚至说这是”意外发现“(serendipity),一个快乐的巧合,但事实根本不是那样!没错,他的确没有意料到能发现这样的情况,但是意料之外的事并不意味着就是随机发生的。这个特别的发现是一个由物理学家、工程师和杰出的技术人员所组成的伟大团队一起共同努力了十年的结果,他们从一开始就想要在接近绝对零度时测试物质的导电性,并且为实现这一目标不知疲倦地付出努力。


人们花了45年的时间才理解这一奇怪现象背后的原因。金属中的电子表现得像是小小的量子波。在非常低的温度下,由于原子的振动,它们首先会两两成对结合,然后全部结合在一起来形成一个巨大的量子波。一旦产生了这种波,就没有任何东西能影响它了,也就没有了阻力。更妙的是,如果你拿一块磁铁靠近它,它会产生一个磁场使超导波旋转。这将产生一个排斥这块磁铁的磁场,因此磁铁就会悬浮起来。


尽管超导体的发现已经过去了一个多世纪,但有些超导仍然是个谜。1986年,物理学家惊奇地发现了高温超导体,但我们仍不知道它的形成机制。理解这一点是当今物理学中最大的挑战之一,也是许多研究项目的核心。


不知Kamerlingh Onnes是否能想到,他在位于莱顿的那间嘈杂的实验室里进行一个简单的电子测量,最终导致了一个最有价值的研究领域的出现……


原文标题为“Zéro, zéro, toujours zéro ! La plus belle découverte de la physique quantique”,首发于2019年2月13日的The Conversation。原文链接:https://theconversation.com/zero-zero-toujours-zero-la-plus-belle-decouverte-de-la-physique-quantique-111482. 中文内容略有修改,仅供参考,一切内容以法文原版为准。


来源:原理



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