挑戰(zhàn)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(zhì)最不活潑的元素，幾乎不能和其他任何元素化合，常態(tài)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(nèi)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(nèi)斯又是怎樣成功挑戰(zhàn)這個低溫極限的呢？

好奇心激發(fā)挑戰(zhàn)欲望

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

這件事傳到了荷蘭物理學家昂內(nèi)斯的耳朵里。昂內(nèi)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(nèi)斯對此強烈好奇，決心挑戰(zhàn)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(nèi)斯采用了當時世界物理學界的“液體蒸發(fā)”和“氣體節(jié)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(guī)模發(fā)展到后來居上。

同時，昂內(nèi)斯還廣招科技人員，把來自國內(nèi)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(tài)氦，昂內(nèi)斯帶領著他的團隊做了無數(shù)次實驗。遺憾的是，這些實驗都沒有取得成功，他們挑戰(zhàn)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(nèi)斯試圖開發(fā)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(nèi)斯嘗試了許多種方式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(nèi)斯一籌莫展。

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

“已經(jīng)達到零下253攝氏度了嗎？”由此，昂內(nèi)斯靈光一現(xiàn)，想到“氦氣液化”試驗中的一個重要步驟，也就是預冷環(huán)節(jié)，一直以來大家都是用液態(tài)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(guān)鍵性”的實驗，昂內(nèi)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(nèi)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(tài)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(tǒng)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(tài)。

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(jié)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(nèi)斯茅塞頓開，立即帶領工作人員查看了氦溫度計。結(jié)果發(fā)現(xiàn)確如教授所言。

這次實驗讓昂內(nèi)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(zhì)的各種特性，并于1911年在研究金屬的電阻時發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的“超導現(xiàn)象”。

海克·卡末林·昂內(nèi)斯（1853—1926），荷蘭物理學家，超導現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)者，低溫物理領域開拓者，雅號“絕對零度先生”。他創(chuàng)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(fā)現(xiàn)了物體的超導性；1913年，他獲得諾貝爾物理學獎。