挑战低温极限的“绝对零度先生”

代佳

氦是目前为止已知化学性质最不活泼的元素，几乎不能和其他任何元素化合，常态下也极难液化，必须在温度降到足够低时才能液化。荷兰物理学家昂内斯是第一个成功把氦液化的人，被尊称为“绝对零度先生”。那么，究竟要冷到什么程度，氦才能液化？昂内斯又是怎样成功挑战这个低温极限的呢？

好奇心激发挑战欲望

19世纪初，英国皇家研究所研究员杜瓦利用低温技术对多种气体进行了一次系统的液化实验，温度达到零下253摄氏度，实现了包括氢在内气体的液化。他本以为实现了所有气体的液化，但接着却发现氦还残存在器皿中。

这件事传到了荷兰物理学家昂内斯的耳朵里。昂内斯从小就对各种事物充满好奇心，万事都要在心里问个为什么。他心想：为什么零下253摄氏度氦还没有被液化？难道还没有到达低温极限？

“怎样的低温才是极限呢？”昂内斯对此强烈好奇，决心挑战这个“低温堡垒”，把最后一个不肯变成液体的氦也变成液体。

为了获得能使氦气液化的低温，昂内斯采用了当时世界物理学界的“液体蒸发”和“气体节流膨胀”的低温获得原理进行实验，并花了很多精力去改进他的实验室设备，使之由初具规模发展到后来居上。

同时，昂内斯还广招科技人员，把来自国内外的学者集中到他的周围，并于1894年建成了后来闻名于世的莱顿低温实验室。

为了得到液态氦，昂内斯带领着他的团队做了无数次实验。遗憾的是，这些实验都没有取得成功，他们挑战的低温极限也只达到氢的液化温度，也就是零下253摄氏度。

孜孜不倦获得成功

“有没有更高明的降温办法呢？”由于多次试验未果，昂内斯试图开发一种新的降温方法，于是，带领他的团队孜孜不倦地干了14年。期间，昂内斯尝试了许多种方式，结果发现所改进的一些方式还不如以往的降温方式好，甚至不能降到氢气的液化温度。对此，昂内斯一筹莫展。

“还好，我们之前已经能达到零下253摄氏度的低温了！”研究员们见昂内斯如此颓废，纷纷安慰他说。

“已经达到零下253摄氏度了吗？”由此，昂内斯灵光一现，想到“氦气液化”试验中的一个重要步骤，也就是预冷环节，一直以来大家都是用液态空气预冷，空气的液化温度仅为零下192摄氏度，氢气的液化温度为零下253摄氏度，为什么不采用温度更低的液氢预冷呢？

为了做好这个“关键性”的实验，昂内斯做了极其细致的准备工作，他事先对氦的液化温度做了理论估算，并储备了大量的氦气和液氢以备实验所需。

1908年7月10日，昂内斯和他的团队开始了实验。大家极其小心地把准备好的液态氢逐渐灌入氦液化器中，这个过程进行了很久，因为大家清楚用液氢预冷要极其小心，如果有微量的空气混入系统整个实验就会前功尽弃。实验没出什么问题，当氦气完全进入氦液化器的时候，液化器进入了之前从未达到过的低温状态。

然而，很长时间过去了，中心恒温器的指示器却没有任何变化。这样，研究人员无从知道实验结果。

“中心恒温器是用氦做温度指示。那么，是不是氦温度计本身的氦也被液化了呢？”正在大家准备宣告实验失败之时，一位闻讯赶来观看实验的教授提醒道。

昂内斯茅塞顿开，立即带领工作人员查看了氦温度计。结果发现确如教授所言。

这次实验让昂内斯获得了60厘米的液氦，并了解到氦的液化温度必须达到零下268.9摄氏度。然而，他的目标不仅在于获得更低的温度，而是探讨在极低温条件下物质的各种特性，并于1911年在研究金属的电阻时发现了物质的“超导现象”。

海克·卡末林·昂内斯（1853—1926），荷兰物理学家，超导现象发现者，低温物理领域开拓者，雅号“绝对零度先生”。他创建了闻名世界的低温研究中心——莱顿实验室。1908年，他成功液化氦气；1911年，他发现了物体的超导性；1913年，他获得诺贝尔物理学奖。