大发欢乐生肖零零还是零!这是量子物理学中最美的发现!

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  大伙儿儿今天要讲的故事是占据 于1911年的莱顿大学,这所古老的大学占据 荷兰的莱顿市。走进大学的物理实验室,就会发现实验室里的泵的大小和它发出的震耳欲聋的噪音虽然令人震撼——甚至连地板有的是 随之震动。实验室里有三位忙碌的物理学家。Gerrit Flim是团队里的工程师,他正盯着有一一有一个巨大的白色水箱。

  这名 结着霜的水箱上插有一点的管子和电线,Cornelis Dorsman正在一旁帮忙。在大伙儿儿顶端的第俩自己是这间实验室的主任Heike Karmerlingh Onnes(海克·卡末林·昂內斯),57岁的他留着小胡子,一尘不染的西装还套着一件实验服。他负责监督实验的运营,并一丝不苟地作着笔记。

  实验室中的Heike Karmerlingh Onnes,图片:AIP Emilio Segr Visual Archives在他的右边,有一一有一个女人男人的高喊声从有一一有一个管道传来:“零,零,还是零!“这根管道来自隔壁的有一一有一个房间,声音的主人是年仅25岁的物理学家Gilles Holst,他坐在一台电机对面,眼睛盯着墙上的有一一有一个光点,他把自己的声音喊到嘶哑,但这虽然毫无用处,导致 占据 在这名 实验室里的一切,早已超出了可理解的范畴。

  大伙儿儿先来仔细看看哪几种设备,首先从白色水箱结束了了英文。这是有一一有一个玻璃的低温恒温器,能能把它看作是有一一有一个非常大的保温瓶,它使存放于顶端的东西删剪与室温。在这名 低温恒温器的内控 ,曾达到的最低温度是零下269C,这只比绝对零度高4度!三年前(1908年),Kamerlingh Onnes通过液化氦气,创造了这名 人造低温的世界纪录,这也为他赢得了“绝对零度先生”的绰号。

  1911年4月的那个周六,当时,Kamerlingh Onnes决定要测试金属的电性能。他的大大问题 很简单:在极低的温度下,金属的导电性能是更好还是更坏?电子具有导电性,可是我它们表现得就像并有的是电子二氧化碳气体气体一样,在原子间流动。要分析它们的行为,你只也能 测量它们的电阻。电阻越低,电流就越容易流动。如塑料一类的绝缘材料的电阻就能能比铝或汞等金属的电阻高10亿倍。这让Kamerlingh Onnes想:导致 将金属冷却,电子会不用也随之被冻结和固定,从而无法传导电流?金属在液氦的温度下会绝缘吗?电阻会在低温下增加到接近无穷大的程度吗?

  与预测相比,Kamerlingh Onnes更喜欢实验,这与他写在实验室入口处的格言一致:“通过测量获得知识”。他先确定了水银这名 在室温下呈液态的金属,导致 水银能能通过蒸馏过程变得,可是我还能能将测量线浸入其中,不也能 焊接。为了测量电阻,研究小组使用了1911年最先进的技术:有一一有一个惠斯通电桥和有一一有一个镜式电流计。“电桥”是有一一有一个用来将水银电阻与一点已知电阻进行比较的电,电流计则能给你得出被测电阻的值。

  Holst就在隔壁,他看着最后形成的光点,通过那根管道大声喊出了它的。他并非 要保持一定的距离,是为了确保泵所产生的振动不用干扰电流计或光束。这里越来越 IT,越来越 示波器,也越来越 万用表,所有的工作有的是 通过徒手和完成的。Holst无法相信身前所看后的,他固执地喊着“零!”电流计上显示,水银的电阻是零。这居然是不导致 占据 的事,它与所有的预测都背道而驰。物理学家们的第一想法可是我 导致 占据 了短。导致 测量线之间相互占据 接触,越来越 电流就会直接从根小导线流向另根小导线,就像水银不占据 一样,从而也就像是越来越 电阻。

  大伙儿儿决定将样品加热以检查接触情况报告,结果这名 举动带来了当天的第二大惊喜:当温度再次上升到零下269℃以上时,光点老是结束了了英文移动。电阻重新再次出现了!这导致 越来越 占据 短。由此可见电阻的大幅度下降是能能逆转和再现的,可是我这名 大大问题 老是能在精确的零下269℃时再次出现。Kamerlingh Onnes在他的笔记本上写下:“水银,零”,紧接着又补充道:“测测金”。

  可是我,Kamerlingh Onnes将这名 老是的、意想只有的移动命名为“超导性”,这是两年后当他在获得诺贝尔的那天想到的名字。超导性描述的是一点金属在特定的精确温度下所具有的完美导电能力。可是我,大伙儿儿在一点金属中都测得了这名 超导性,比如铝、锡和铅等。一年可是我 ,Kamerlingh Onnes进行了有一一有一个更奇怪的实验。他制造了有一一有一个锡环,把锡环和电池连接起来产生电流,可是我他将锡环冷却使其占据 超导情况报告,再断开电池。

  导致 电阻真的为零,越来越 就越来越 任何东西能能抵抗其中的电流,可是我电流就也能 被困在圆环之中,永远绕着圆环旋转。Kamerlingh Onnes等了一会儿,可是我将有一一有一个指南针中放环的周边。令人惊讶的事占据 了——指针在旋转。这证明环中仍有电流在流动,从而产生了。这次,通过证明电流能能永远被困住,Kamerlingh Onnes了超导体的惊人形态!

  大家说,遇到这名 大大问题 是Kamerlingh Onnes的幸运。大家甚至说这是”意外发现“(serendipity),有一一有一个快乐的巧合,但事实根本有的是 那样!没错,他的确越来越 意料到能发现可是我 的情况报告,可是我意料之外的事不用导致 可是我 随机占据 的。这名 很重的发现是有一一有一个由物理学家、工程师和杰出的技术人员所组成的伟大团队同时同时努力了十年的结果,大伙儿儿从一结束了了英文就你会在接近绝对零度时测试物质的导电性,可是我为实现这名 目标不知疲倦地付出努力。

  大伙儿儿花了45年的时间才理解这名 奇怪大大问题 身前的导致 。金属中的电子表现得像是小小的量子波。在非常低的温度下,导致 原子的振动,它们首先会两两成对结合,可是我删剪结合在同时来形成有一一有一个巨大的量子波。一旦产生了这名 波,就越来越 任何东西能影响它了,也就越来越 了阻力。更妙的是,导致 你拿一块磁铁靠近它,它会产生有一一有一个使超导波旋转。这将产生有一一有一个这块磁铁的,可是我磁铁就会悬浮起来。

  尽管超导体的发现导致 过去了有有一一有一个世纪,但一点超导仍然是个谜。1986年,物理学家惊奇地发现了高温超导体,但大伙儿儿仍他不知道它的形成机制。理解这名 点是当今物理学中最大的挑战之一,也是一点研究项目的核心。不知Kamerlingh Onnes是是是不是能想到,他在占据 莱顿的那间嘈杂的实验室里进行有一一有一个简单的电子测量,最终导致 了有一一有一个最有价值的研究领域的再次出现

  博科园|文:Julien Bobroff (巴黎萨克雷大学物理学教授)转自:原理/principia1687博科园|科学、科技、科研、科普贵妇也疯狂