絕對零度的神奇世界

開爾文勛爵

隨著熱能的本質問題得到解釋，并被帶入與電能和化學能交叉重合的學科之中，關于物質狀態在什么時候才能被稱為寒冷的問題不斷地被提了出來。開爾文勛爵提出了絕對零度的概念（大約-470°F或者-273°C），即任何事物都無法繼續變冷的溫度臨界點。此外，他還作出如下的預測：在接近這個如此之低的臨界點溫度時，所有物質的電阻性將會提高，最終幾乎喪失所有的能量。

日漸興起的熱能和熱力學的研究，把開爾文的這個猜想置于備受質疑的境地。運動似乎不僅僅只會產生熱量，而且也會以類似的方式對液體和氣體物質產生影響。荷蘭物理學家約翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯（1837～1923年）通過實驗證明，液體和氣體的分子狀態不僅依賴于溫度，而且也依賴于氣壓和體積。隨著溫度的下降，能夠產生熱量的分子運動會逐漸減慢下來。

1877年，物理學家成功地把氧氣冷卻到90K。在這個溫度點，氣體可以被液化。19世紀和20世紀之交，氫氣也被成功地液化，其溫度點大約為20K；1908年，荷蘭物理學家海克·卡末林·昂尼斯成功地對氦氣進行液化，溫度點為4.2K。與此同時，卡末林·昂尼斯發現了一個與開爾文的猜想完全相反的事實，即在這些溫度點的物質幾乎失去了所有的電阻，從而成為我們今天所謂的超導體。其他物質則失去了黏滯性，從而成為我們今天所知道的超流體。比如，在2.19K的溫度點，氦液體可以流向玻璃杯的一邊，從而越過杯頂，也可以順利地通過極為細小的裂縫。

為什么這種狀態被稱為“超導電性”呢？20世紀50年代晚期，美國的3位物理學家約翰·巴丁、約翰·施里弗和利昂·庫珀認為，在非常低的溫度下，原子會按照與眾不同的幾何序列進行排列，而電子（原子的主要組成元素）則形成了能夠平等地發射和吸收能量的成對模式，從而沒有任何事物能夠破壞它們的運動。比如，在2.19K的狀態下，原子都具有同樣的動量。這有點像把參加賽跑的人都放到一起，也就是說，如果任何一個人跑動起來，那么其他人也會跟著動起來。熱的傳導速度如此之快，以至于其在通過物質時會形成一個波形。如果任何磁場接近一個超導體，超導體會在物質的最外層產生漩渦狀的電流，并對這個磁場進行排斥。超導物質實際上能夠使磁場漂浮在空中，這個物理屬性被用來支撐飄浮于軌道之上的列車，從而使它們能夠在沒有輪子和軌道摩擦力的情況下向前移動。超導電性也激發了另外一個技術競賽，那就是制造出能夠在高溫下獲得超導電性的物質材料。如果這些物質材料被開發出來，那么超導現象就可以應用于各種日常設備和機器。