挑戰低溫極限的“絕對零度先生”

代佳

氦是目前為止已知化學性質最不活潑的元素，幾乎不能和其他任何元素化合，常態下也極難液化，必須在溫度降到足夠低時才能液化。荷蘭物理學家昂內斯是第一個成功把氦液化的人，被尊稱為“絕對零度先生”。那么，究竟要冷到什么程度，氦才能液化？昂內斯又是怎樣成功挑戰這個低溫極限的呢？

好奇心激發挑戰欲望

19世紀初，英國皇家研究所研究員杜瓦利用低溫技術對多種氣體進行了一次系統的液化實驗，溫度達到零下253攝氏度，實現了包括氫在內氣體的液化。他本以為實現了所有氣體的液化，但接著卻發現氦還殘存在器皿中。

這件事傳到了荷蘭物理學家昂內斯的耳朵里。昂內斯從小就對各種事物充滿好奇心，萬事都要在心里問個為什么。他心想：為什么零下253攝氏度氦還沒有被液化？難道還沒有到達低溫極限？

“怎樣的低溫才是極限呢？”昂內斯對此強烈好奇，決心挑戰這個“低溫堡壘”，把最后一個不肯變成液體的氦也變成液體。

為了獲得能使氦氣液化的低溫，昂內斯采用了當時世界物理學界的“液體蒸發”和“氣體節流膨脹”的低溫獲得原理進行實驗，并花了很多精力去改進他的實驗室設備，使之由初具規模發展到后來居上。

同時，昂內斯還廣招科技人員，把來自國內外的學者集中到他的周圍，并于1894年建成了后來聞名于世的萊頓低溫實驗室。

為了得到液態氦，昂內斯帶領著他的團隊做了無數次實驗。遺憾的是，這些實驗都沒有取得成功，他們挑戰的低溫極限也只達到氫的液化溫度，也就是零下253攝氏度。

孜孜不倦獲得成功

“有沒有更高明的降溫辦法呢？”由于多次試驗未果，昂內斯試圖開發一種新的降溫方法，于是，帶領他的團隊孜孜不倦地干了14年。期間，昂內斯嘗試了許多種方式，結果發現所改進的一些方式還不如以往的降溫方式好，甚至不能降到氫氣的液化溫度。對此，昂內斯一籌莫展。

“還好，我們之前已經能達到零下253攝氏度的低溫了！”研究員們見昂內斯如此頹廢，紛紛安慰他說。

“已經達到零下253攝氏度了嗎？”由此，昂內斯靈光一現，想到“氦氣液化”試驗中的一個重要步驟，也就是預冷環節，一直以來大家都是用液態空氣預冷，空氣的液化溫度僅為零下192攝氏度，氫氣的液化溫度為零下253攝氏度，為什么不采用溫度更低的液氫預冷呢？

為了做好這個“關鍵性”的實驗，昂內斯做了極其細致的準備工作，他事先對氦的液化溫度做了理論估算，并儲備了大量的氦氣和液氫以備實驗所需。

1908年7月10日，昂內斯和他的團隊開始了實驗。大家極其小心地把準備好的液態氫逐漸灌入氦液化器中，這個過程進行了很久，因為大家清楚用液氫預冷要極其小心，如果有微量的空氣混入系統整個實驗就會前功盡棄。實驗沒出什么問題，當氦氣完全進入氦液化器的時候，液化器進入了之前從未達到過的低溫狀態。

然而，很長時間過去了，中心恒溫器的指示器卻沒有任何變化。這樣，研究人員無從知道實驗結果。

“中心恒溫器是用氦做溫度指示。那么，是不是氦溫度計本身的氦也被液化了呢？”正在大家準備宣告實驗失敗之時，一位聞訊趕來觀看實驗的教授提醒道。

昂內斯茅塞頓開，立即帶領工作人員查看了氦溫度計。結果發現確如教授所言。

這次實驗讓昂內斯獲得了60厘米的液氦，并了解到氦的液化溫度必須達到零下268.9攝氏度。然而，他的目標不僅在于獲得更低的溫度，而是探討在極低溫條件下物質的各種特性，并于1911年在研究金屬的電阻時發現了物質的“超導現象”。

海克·卡末林·昂內斯（1853—1926），荷蘭物理學家，超導現象發現者，低溫物理領域開拓者，雅號“絕對零度先生”。他創建了聞名世界的低溫研究中心——萊頓實驗室。1908年，他成功液化氦氣；1911年，他發現了物體的超導性；1913年，他獲得諾貝爾物理學獎。