绝对零度的神奇世界

开尔文勋爵

随着热能的本质问题得到解释，并被带入与电能和化学能交叉重合的学科之中，关于物质状态在什么时候才能被称为寒冷的问题不断地被提了出来。开尔文勋爵提出了绝对零度的概念（大约-470°F或者-273°C），即任何事物都无法继续变冷的温度临界点。此外，他还作出如下的预测：在接近这个如此之低的临界点温度时，所有物质的电阻性将会提高，最终几乎丧失所有的能量。

日渐兴起的热能和热力学的研究，把开尔文的这个猜想置于备受质疑的境地。运动似乎不仅仅只会产生热量，而且也会以类似的方式对液体和气体物质产生影响。荷兰物理学家约翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯（1837～1923年）通过实验证明，液体和气体的分子状态不仅依赖于温度，而且也依赖于气压和体积。随着温度的下降，能够产生热量的分子运动会逐渐减慢下来。

1877年，物理学家成功地把氧气冷却到90K。在这个温度点，气体可以被液化。19世纪和20世纪之交，氢气也被成功地液化，其温度点大约为20K；1908年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂尼斯成功地对氦气进行液化，温度点为4.2K。与此同时，卡末林·昂尼斯发现了一个与开尔文的猜想完全相反的事实，即在这些温度点的物质几乎失去了所有的电阻，从而成为我们今天所谓的超导体。其他物质则失去了黏滞性，从而成为我们今天所知道的超流体。比如，在2.19K的温度点，氦液体可以流向玻璃杯的一边，从而越过杯顶，也可以顺利地通过极为细小的裂缝。

为什么这种状态被称为“超导电性”呢？20世纪50年代晚期，美国的3位物理学家约翰·巴丁、约翰·施里弗和利昂·库珀认为，在非常低的温度下，原子会按照与众不同的几何序列进行排列，而电子（原子的主要组成元素）则形成了能够平等地发射和吸收能量的成对模式，从而没有任何事物能够破坏它们的运动。比如，在2.19K的状态下，原子都具有同样的动量。这有点像把参加赛跑的人都放到一起，也就是说，如果任何一个人跑动起来，那么其他人也会跟着动起来。热的传导速度如此之快，以至于其在通过物质时会形成一个波形。如果任何磁场接近一个超导体，超导体会在物质的最外层产生漩涡状的电流，并对这个磁场进行排斥。超导物质实际上能够使磁场漂浮在空中，这个物理属性被用来支撑飘浮于轨道之上的列车，从而使它们能够在没有轮子和轨道摩擦力的情况下向前移动。超导电性也激发了另外一个技术竞赛，那就是制造出能够在高温下获得超导电性的物质材料。如果这些物质材料被开发出来，那么超导现象就可以应用于各种日常设备和机器。