1911年4月8日
超导科学之父——昂内斯
如果让一个回路产生电流，就必须加上电源。能不能在没有电源的情况下，仍然让电流川流不息呢？听起来像是神话，有人却在一百多年前就做到了，这个人就是荷兰物理学家卡莫林·昂内斯（图1）。
图1
1853年9月21日，昂内斯出生于荷兰的格罗宁根。1882年，在他29岁时，被任命为荷兰莱顿大学物理学教授和实验室主任。在当时，液化气体是物理学研究的热门，昂内斯决定在莱顿大学建立一个世界上规模最大的低温实验室，并把研究课题集中在低温物理上。正是这个决定，使他有了重要的发现。
1906年，昂内斯利用气体在真空中迅速膨胀的办法，获得超低温，并在20.4开（-252.76摄氏度）的情况下首先获得液态氢。由于积蓄了大量的液态氢，为他下一步获得液态氦打下了基础。
1908年7月10日，他从早上5点忙到下午6点，连续工作13个小时，终于获得最低温度4.2开（-268.96摄氏度），并获得了液态氦。这是人类科学史上第一次见到的氦的奇特状态。看到氦像水那样流动，昂内斯激动极了，他兴奋地说：“看到了液态氦，我感觉像是在梦境里，眼前出现的是一种神话般的幻觉。”
昂内斯已经接近物质低温的极限，挑战极限意味着超难的艰辛与付出。又经过整整两年努力，他竟然获得了1.04开（-272.12摄氏度）的超低温。在这个超低温区，每下降0.1摄氏度都是极其艰难的，这是昂内斯对自然极限的探索，也是向绝对零度低温的大幅逼近，为此，人们给他起了个绰号“绝对零度先生”。图2是昂内斯在液态氦制冷机前留影。
图2
正是对超低温的研究，使这位“绝对零度先生”发现了金属特异的导电性质，他选择的金属是汞。在常温下，汞是液体，但在液氦的超低温下，汞变成了固体，可以用它制成线圈。当昂内斯给汞线圈通上电流时，他发现了令人惊讶的事。当汞的温度降到4.2开左右（即-268摄氏度左右）时，它的电阻竟然消失得几乎测不出来，以致断开电源时，电流依旧川流不息。在惊讶之余，昂内斯立即把这一现象记录在他的笔记本里，这一天是1911年4月8日。
他在笔记中写道：“汞完全变成了另外一种状态，这种不同寻常的超级导电状态应该叫做超导电性。”昂内斯把这一现象写成论文发表了出来，“超导电性”这一词也首次公开出现在这篇论文中。
此后，昂内斯扩大战果，又继续做了大量的超导实验。他发现了在超低温下，锡、铅及其他一些合金也具有超导电性。在昂内斯的早期超导实验中，在没有电源情况下，超导电流居然持续了两年的时间，直到后来保持低温的液态氦用尽，电流才停止流动。从理论上说，只要能保持超导温度，超导电流可以一直持续。
昂内斯的低温超导实验对物理学，甚至科学技术产生了难以估量的影响。对于导电现象，不少人持相反的看法，例如英国著名物理学家、大名鼎鼎的威廉·汤姆逊（又名罗德·开尔文）认为，温度越低，导电粒子越不活跃，导体的电阻也会越大，甚至降到接近绝对零度时，由于导电粒子被“凝结住了”，电阻会变得无限大。与汤姆逊持相同看法的人，在当时并不是少数，因为他们认为电流就像液体在管里流动一样。正因如此，昂内斯的这一发现，不仅震惊了当时的物理学界，也冲击了人们对于导电机理、导体性质的认识。昂内斯首次开发了超低温技术，首次制备出液态氢、液态氦，尤其是他对超导电性的惊人发现开创了百年的超导电研究史。昂内斯被尊为超导科学之父，并获得了1913年诺贝尔物理学奖。
最初超导现象只能在液氦温度下实现，而氦又是一种稀有气体，制备液态氦的成本也很高，从而大大限制了超导的应用。要想使超导投入实用，必须设法提高超导温度。从20世纪60年代开始，人们探索如何把超导的临界温度提高到液氮温区，也就是77开以上，由此开始高温超导研究。
1987年，美国科学家和中国科学家赵忠贤（图3）相继取得突破性的进展，在钇钡铜氧（YBa2Cu3O7）材料中，使超导温度提高到90开以上，超越液氮的禁区。很快，这一纪录不断被刷新，到了1987年年底，人们在Ti-Ba-Ca-Cu-O系列材料上，又把超导温度提高到125开，随后的几年，高温超导临界温度迅速提高，目前已经到达160开，高温超导材料不断问世，为超导现象从实验室走向应用铺平道路（参见本书2月24日“1987年高温超导研究”）。
图3
超导电性具有很重要的应用价值，如利用在超导临界温度下材料的电阻随温度变化非常敏感的特性，可以制成灵敏超导温度计；利用超导电流的无电阻状态可以制造超导磁体、超导加速器、超导电机等；利用超导磁悬浮效应可以制成无摩擦轴承、悬浮列车；超导体所产生的强磁场还可以作为“封闭腔”，把上亿摄氏度的核反应高温封闭在“腔”内，实现受控核反应，从而获得核聚变能源；由于零电阻，不存在发热问题，利用超导材料制成的晶体管可以大幅度提升运行速度，使超导计算机大有前景。此外，超导材料还可以用于基本常数、电压和磁场的测定、微波和红外线探测。高温超导材料必将大大扩展超导电性的应用前景。
关键词：超导科学，卡莫林·昂内斯，赵忠贤，Super-conductive Science，Kamerlingh Onnes，Zhao Zhongxian
图1：http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/phys-ics/laureates/1913/onnes-bio.html
图2：http://www.scientificamerican.com/slideshow/superconductors-turn-100/
图3：（略）