歷史 物理

1913年諾貝爾物理獎:卡梅林・昂內斯

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撰文者:余海峯 博士
發文日期:2017-04-01
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  • 物質有哪幾種狀態?氣態、液態、固態,還有形成火焰的離子態,都是日常例子。1913年的諾貝爾物理獎就頒給卡梅林‧昂內斯(Kamerlingh Onnes),表揚他成功把氦氣液化,而且創下了當時人造最低溫紀錄:絕對零度以上1.15度——1.15K——即攝氏 -272度。
     
     卡梅林
             [卡梅林‧昂內斯的諾貝爾獎官方照片。]
     
    使氣體變成液體可以靠加壓或降溫。因技術所限,19世紀末的科學家主要靠降低溫度把氣體液化。每種氣體的液化溫度——沸點——都不相同,而且隨壓力改變。例如水在1大氣壓力的海平面的沸點是攝氏100度,但在壓力較低的地方,例如較高海拔,沸點就會比攝氏100度低;大氣含量最高的氮氣在1大氣壓力下沸點為攝氏 -195.795度。

    1908年以前,除了氦氣以外所有氣體都已經被成功液化,因此造出能夠液化氦氣的低溫是科學家的目標。人造低溫能夠讓科學家在前所未有的環境之中做實驗,研究物質在極度寒冷時的特性。而幫助物理學家把氣體液化的原理,就是1911年諾貝爾物理獎得主范德華導出的氣體物態方程。

    昂內斯自1894年起就在荷蘭萊頓大學(Leiden University)建立了一個低溫物理實驗室,並在那裡與他的研究團隊成功把氧氣和氫氣液化。經過24年的努力,昂內斯終於在1908年造出攝氏 -269度——4.15K——的破紀錄人造低溫,並且成功把氦氣液化。

     
     液態氦
    [在4.2K 、1大氣壓力下正在沸騰的液態氦。Image courtesy of Alfred Leitner/Wikimedia Commons]
     
    液化氦氣並非研究低溫物理的唯一目的。液化了氦氣之後,昂內斯反過來使用液態氦進一步把實驗溫度降低至1.5K。利用液態氦的極低溫度研究金屬的導電性質時,他發現電阻隨溫度下降。當他使用液態氦把金和鉑冷卻至4.3K以下時,其電阻就變成定值,不再隨溫度下降。他也發現,如果把汞降溫至4.2K以下,其電阻則完全變成零。
     
    電阻是電壓和電流的比例。零電阻代表不需要電壓也能維持電流,電流能量不會衰減,因此能夠永遠流動。這現象稱之為超導(superconductivity)。昴內斯因研究低溫物理而發現了首個超導現象。

    物理學家發現並非所有金屬都會在極低溫下變成超導體,而且有些非金屬材料亦會出現超導現象。超導是一種量子效應,不能以經典電磁學說解釋。於1933年,瓦特‧邁斯納(Walther Meißner)發現超導現象會排斥磁場,現稱為邁斯納效應
     大型強子對撞機
    [我2013年到訪瑞士日內瓦,參觀了當時正在升級的大型強子對撞機。圖為其中一小部分超導電磁鐵。]
     
    用超導體造的電磁鐵可用來產生強大磁場。位於法國和瑞士地底的大型強子對撞機(LHC)就使用了約10,000個超導電磁鐵。然而,大部分材料都要在極低溫下才出現超導特性,而維持低溫需要消耗很多能量,不方便應用。所以,現代物理學的一個熱門研究方向就是尋找高溫超導材料。

    百多年之前,沒有人能夠想像昂內斯的液化氦實驗會成就今天LHC的實驗基礎。科學進程並非康莊大道,反而是曲折離奇的林蔭小徑。可是,只有經過科學探索過程中的跌跌撞撞,我們才能獲得知識、成就文明。
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