谁发现了超导？

“零度先生”与超导的前世今生。

作者| Melius

来源| 科技行者

韩国的室温超导研究，让超导这一物理现象，重新进入大众的视野。

国内资本市场率先给出了反应。阿尔法工场创始人在微博里感慨：“人类从发现导体到发现超导现象用了180年，从发现超导现象到疑似发现室温超导用了112年，A股从发现室温超导到实现可控核聚变用了60分钟”，并放出了一张受此消息影响、连续涨停的某上市公司股价走势图。

而杜克大学教授陈怡然今天也在微博提及另外一则信息，美国超导公司（AMSC）股票价格盘前跳涨71%，最高涨幅150%。

毫无疑问，如果室温超导材料被证实，将是改变人类科技树的一次发现。但目前为止，对韩国这一研究的复现还尚在进行中，正面和反面信息都有，还没有一锤定音的结论。

不过，这并不妨碍我们对超导现象做一番回顾。

就像很多重大科学发明一样，超导现象的发现其实也是一个意外产物。他的发现者是海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）。

昂内斯1853年9月21日出生于荷兰，因“对低温下物质特性的研究，特别是导致了液氦的产生”而获得1913年诺贝尔物理学奖。他发现，当一些材料冷却到接近绝对零度时，电阻几乎完全消失。而他发现的第一个呈超导现象的材料，是固态汞。

作为一个生化环材的顶尖学者，昂内斯的出身是典型的“土木工程”——父亲是屋顶瓦工厂的老板，母亲有艺术家的天赋。昂内斯是长子，有两个兄弟姐妹，弟弟门索后来成为著名画家，妹妹珍妮嫁给了著名画家弗洛里斯·维斯特。

中学时，昂内斯对文学很感兴趣，是学校公认的小诗人。后来，他在广泛的阅读中对物理学产生浓厚的兴趣，总想弄清看不见摸不着的气体。

1870年，17岁的昂内斯中学毕业后，没有像母亲期盼那样进入艺术学院进修，而是选择了格罗宁根大学，攻读物理学。后来，由于成绩优异，他转入德国著名的海德堡大学学习。在那里，他遇到了著名的物理学家基尔霍夫和化学家罗伯特·威廉·本生，并与他们结下了深厚的师生之缘。

有名师指导，青年昂内斯满腔热血。1882年他受聘为莱顿大学物理学教授之后，就想改善物理实验室向低温实验研究进军。

超导是一种微观物理现象，而昂内斯最早的课题研究，则是宏观现象。1879年，他靠一篇《地球旋转的新证据》拿到了博士学位。在这篇论文中，他给出了新的理论和实验证据，用更简单的方式用来证明地球的旋转运动。

但3年后的1881年，他发表了一篇论文《液体的一般理论》，被视为他一生对低温物质性质研究的开始。这篇论文讨论了液态的动力学理论，从力学的角度接近了Van der Waals（范德瓦尔斯）的对应状态原理。

所谓范德瓦尔斯对应状态原理，是一种描述气体和液体行为的理论。它指出，所有物质在适当的条件下（如压力和温度），行为将相似。这个理论是热力学的基础部分，对于理解物质在不同状态下的行为非常重要。不过，它并不是在所有情况下都完全准确，在极端的压力和温度条件下，或者对于某些特殊的物质，这个定律可能无法准确预测其行为。

尽管如此，范德瓦尔斯的对应状态原理仍然是物理学和化学中的一个重要工具，为我们理解和预测物质的行为，提供了一个有用的框架。

总之，从1882年到1923年，昂内斯在莱顿大学担任实验物理学教授，并于1904年，在那里建立了一个大型低温实验室。1908年7月10日，他首次实现了液化氦，他将温度降低到了氦的沸点4.2K（-269摄氏度）（K是温度单位，开尔文，0K又叫绝对零度）。并通过降低液氦的压力，实现了接近1.5K的温度，这是当时在地球上实现的最低温度。他也因此被称为“零度先生“。

在1911年，昂内斯测量了纯金属（汞，后来是锡和铅）在极低温度下的电导率，从而发现了石破天惊的超导现象。有意思的是，当时的一些科学家，如威廉·汤姆森（Lord Kelvin），认为电子流经导体时会完全停止，或者换句话说，金属的电阻会在绝对零度时变得无穷大。而包括昂内斯在内的一些人，则认为导体的电阻会稳步下降并降至零。

现在，在超导现象发现一百年后，超导研究终于出现了新的重要进展（再次强调，还没有盖棺定论的结论）。如果成真，那么信息技术、能源等诸多行业将迎来重大变革。Nextgov网站曾经给过一些分析，我们在这里摘录如下：

在能源领域，超导电缆可以在没有电阻的情况下传输电力，这将大大提高电力传输的效率，减少能源损失。此外，超导材料还可以用于制造大容量的超导电磁储能系统（SMES），这将有助于解决可再生能源的储存问题。

在电子设备领域，超导材料可以用于制造无损耗的电子设备，如超导电路和超导电磁铁。这将极大地提高电子设备的性能和效率。具体到大家关心的芯片领域，将实现：

在交通行业，超导材料可以用于制造无损耗的电动机和发电机，这将极大地提高电动车和电动飞机的性能和效率。此外，超导材料还可以用于制造磁悬浮列车，这将极大地提高列车的速度和效率。

在医疗设备方面，超导材料可以用于制造高性能的医疗设备，如磁共振成像（MRI）设备，将极大地提高医疗设备的性能和精度。

在更广泛的科研设备，超导材料可以用于制造高性能的科研设备，如粒子加速器和量子计算机。这会提高科研设备的性能和精度。

总之，改变绝对是全方位的。

昂内斯在其《物理学中定量研究的重要性》一文中，提出了他的著名格言“通过测量获得知识”（Knowledge through measurement）。现在，全世界无数科研团队，正在努力通过测量，复现验证韩国团队的发现。

【参考资料】

1．维基百科：室温超导体

https：//en.wikipedia.org/wiki/Room-temperature_superconductor

2． CERN：《超导性》

https：//home.cern/science/engineering/superconductivity

3． Discover Walks Blog：《关于Heike kamerling Onnes的十大事实》

https：//www.discoverwalks.com/blog/netherlands/top-10-sensational-facts-about-heike-kamerlingh-onnes/

4． NEXTGOV：《室温超导体可能彻底改变电子学——一位电气工程师解释了这种材料的潜力》

https：//www.nextgov.com/ideas/2023/03/room-temperature-superconductors-could-revolutionize-electronics-electrical-engineer-explains-materials-potential/384532/

5． The Nobel Price：《Heike kamerling Onnes》

https：//www.nobelprize.org/prizes/physics/1913/onnes/facts/

6． 不列颠百科全书：“Heike Kamerlingh Onnes”

https：//www.britannica.com/biography/Heike-Kamerlingh-Onnes

7． The Conversation：《室温超导体可能会给电子学带来革命性的变化》

https：//theconversation.com/room-temperature-superconductors-could-revolutionize-electronics-an-electrical-engineer-explains-the-materials-potential-201849

8.Physicsworld：

https：//physicsworld.com/a/mercurys-superconductivity-explained-at-long-last/