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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

时间: 2019年12月30日 | 作者: Julien Bobroff | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
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?


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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。


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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”。


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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。


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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