低温物理学的奠基人

荷兰物理学家、绰号“绝对零度先生”的海克·卡末林·昂内斯于1911年发现了物体的超导性，是低温物理学的创始人。1913年，他因对低温物质特性的研究而获得诺贝尔物理学奖，特别是由于这种研究而产生的液氦。

19世纪末20世纪初，低温实验研究出现了世界性的竞争。在这场激动人心的竞赛中，领头的是荷兰小城市莱顿的低温实验室。艾格尼丝因其对低温物质特性的研究而获得1913年诺贝尔物理学奖，特别是作为这种研究的结果液氦的生产。

19世纪末20世纪初，低温实验研究出现了世界性的竞争。在这场轰动性的竞赛中，领头的是欧洲西北部的一个小国——荷兰首都莱顿的低温实验室。

19世纪下半叶，荷兰物理学家对气体性质与压力和温度之间的关系的研究做出了重要贡献。1873年，范德瓦尔在他的博士论文《气体和液体的连续性》中，提出了包括气体和液体的“状态方程”，即范德瓦尔斯方程。1880年，范德瓦尔斯提出了“对应状态定律”，并进一步得到了状态方程的一般形式。在他的理论指导下，英国人杰·杜瓦于1898年液化了氢。他所在的荷兰莱顿大学开发了低温实验技术，并建立了低温实验室。这个实验室的创始人是著名的低温物理学家卡莫林·阿格尼斯。

自从法拉第在1823年首次观察到液氯以来，各种气体的液化和低温的实现一直是实验物理学中的重要课题。然而，实验的规模已经不能满足需要。1877年，卡尔莱特和皮克泰分别在法国和瑞士液化了氧气。1895年，德国林德和英国汉普森开始利用焦耳-汤姆逊效应(即节流膨胀效应)大规模生产液氧和液氮。著名的林德机器成为低温技术的基础设备。几年后，英国皇家研究所的杜瓦瓶液化并固化了氢气。他以为自己已经达到了低温极限，但后来发现残余气体中仍残留着氦气。然而，经过多年的努力，氦液化还没有通过许多方法实现。卡洛琳·艾格尼丝决心征服这个低温堡垒。他一直密切关注低温设备的建设。

当时，低温主要是通过液体蒸发和气体节流膨胀获得的。为了获得非常低的温度，通常需要采用级联方法，即首先压缩待液化的气体，同时利用另一种液体的蒸发带走热量，然后让气体节流和膨胀，从而使气体在外部做功，消耗内部能量并冷却。这一原则已经从物理上解决了，没有什么新的东西，但在实践中有许多技术问题。设计师必须考虑各种物理问题和解决这些问题所需的技术设备。许多仪器需要自己制造，甚至一开始就需要自己供电。卡洛琳·艾格尼丝以极大的精力改进了实验室设备，使其从最初的规模发展到后来的规模。但他更注重人才培养。他创办了一所技术学校，学生们晚上学习，白天在实验室工作。他培训的玻璃技术人员不仅满足了他的国家的需要，而且还被许多国家的物理实验室聘用，为低温物理和真空技术的发展做出了贡献。他为工业培养人才，并对荷兰工业发展产生了一定的影响。卡洛琳·艾格尼丝还广泛招募科技人员，包括来自国外的访问学者，聚集在他周围。在他的组织和领导下，莱顿低温实验室于1894年建立了一个工厂和一个大规模的实验室大楼，可以生产大量的液态氢和其他气体(包括氦)。这是历史上他第一次在工业规模上建立实验室。这是开始。物理学已经从手工业发展到现代大规模水平。

1908年7月10日是一个历史性的日子。在这一天，经过精心准备，卡迈林·艾格尼丝和他的同事一起努力解决关键问题，最终液化氦。它标志着20世纪“伟大科学”的第一阶段和第一场战斗的胜利。为了做好这个实验，卡洛琳-艾格尼丝做了极其详细的准备。他预先对氦的液化温度做了理论上的估计，预计在5K和6K之间。氦储存量大，供应充足。液态氢是自制的。实验前一天，准备了75L的液态空气备用。大约早上5点，20L的液态氢准备好，并逐渐倒入氦液化器。用液态氢预冷应该非常小心。如果系统中混入非常少量的空气，所有先前的努力都将白费。下午1点30分，所有氦液化器都装满了，氦开始循环。液化器中心的恒温器开始进入前所未有的低温，只有氦温度计才能显示。然而，长期以来没有观察到该指标的变化。人们调节压力，改变膨胀活塞，并使用各种可能的措施来促进液化器的工作。温度计似乎在动，但不动，所以很难做出判断。此时，液态氢几乎耗尽，仍然没有液态氦的迹象。晚上7: 30，当实验即将以失败告终时，一位前来观看的教授向卡莫林·阿格尼斯暗示，氦温度计中的氦本身已经液化。可以从下面照亮容器，看看发生了什么吗？阿格尼斯张开嘴，立即照办了。结果，他欣喜若狂，*恒温器几乎充满了液体，光的反射使人们看到了液位。这一次，卡玛林·艾格尼丝获得了60厘米的液氦，达到了4.3千的低温..经过多次实验，他们在1918年达到了1.38 ~ 1.04千。

然而，卡洛琳·艾格尼丝的目标不仅仅是获得更低的温度，实现气体的液化和固化，还要更加注重探索物质在极低温度下的各种性质。金属的电阻是他的研究对象之一。当时，人们对金属电阻接近绝对零度时的变化有不同的看法和猜测。根据经典理论，纯金属的电阻应该随着温度的降低而逐渐降低，在绝对零度时达到零。有些人认为这个理论不一定适用于极低的温度。当温度降低时，金属电阻可能会先达到最小值，然后再增加，因为*电子可能会凝聚在原子上。根据这一观点，绝对零度时的金属电阻可能会无限增加。这两种观点的预测完全相反，这是对还是错。只有实验才能做出判断。

卡洛琳·艾格尼丝第一次使用铂丝作为测试样品，用惠斯通电桥测量电阻。测量的铂电阻首先随着温度降低，但当液氦温度(4.3K)低于时，电阻变化平缓。因此卡洛琳·艾格尼丝和他的学生克雷在1908年发表了一篇论文来讨论这一现象。他们认为杂质影响了铂的电阻，而铂的电阻与温度无关。如果金属足够纯净，没有杂质，它的电阻应该慢慢接近零。

为了检验他的判断是否正确，卡洛琳·艾格尼丝希望得到比白金和黄金更纯的水银。汞是当时可以达到最高纯度的金属，这可以通过连续蒸馏来实现。1911年4月的一天，卡洛琳·艾格尼丝请他的助手格·霍尔斯特进行实验。汞样品浸入氦恒温槽中，恒定电流流过样品。测量样品间的电位差。令他们惊讶的是，当温度降到氦的沸点(4.2K)以下时，电势差突然降到零。线路上有短路吗？在查找短路原因的过程中，霍尔斯特发现当温度上升到4K以上时，短路立即消失。再次冷却时，仍然存在短路现象。即使重新连接线路也无济于事。所以他立即向卡洛琳·艾格尼丝报告。卡洛琳·艾格尼丝起初并不相信。他多次重复这个实验，最终意识到这是阻力消失的真正效果。

卡洛琳·艾格尼丝于1911年4月28日宣布了这一发现。这时，他没有看到这一现象的普遍意义，而只是把它看作是一种与水银有关的特殊现象。1911年11月25日，他做了一篇关于“水银电阻消失速度的突变”的报告，给出了水银电阻(与常温下的电阻相比)随温度变化的清晰曲线。他在报告中说:“在4.21到4.19千伏之间，电阻下降非常快，在4.19千伏时完全消失。”

从1912年到1913年，卡洛琳·艾格尼丝发现锡(Sn)电阻在3.8K时突然降至零，后来发现铅也有类似的效果。转变温度估计为6K(后来证实为7.2K)。1913年，卡洛琳·艾格尼丝声称这些材料在低温下“进入了一个具有特殊电学性质的新状态”。“超导性”这个词是由卡迈林·阿格尼斯命名的。

卡洛琳·艾格尼丝的研究结果发表在阿姆斯特丹皇家科学院期刊和莱顿大学物理实验室期刊上。后一种出版物是他自己创办的，主要出版关于低温学的学术文献。卡洛琳·艾格尼丝因其对低温物理学的杰出贡献获得了1913年诺贝尔物理学奖。