在实验室条件下创造尽可能接近绝对零度的极端条件，这一19~20世纪之交的国际竞争最终导致了电流无阻流动的惊人发现——

超导电性即电流在材料中的无阻流动，是自然界众多奇观之一。许多人称1987年3月为物理学的中流砥柱期，数百位科学家聚集在纽约市希尔顿大厅，接收数百份有关高温超导材料的报告。这些高温超导材料的骤变温度是前所未有的。本世纪50年代约翰 • 巴丁（J. Bardeen）>里昂.N • 库伯（L. N. Cooper），以及J • 罗伯特 • 斯莱弗（J. R. Schrieffer），就为我们提供了有关超导电性的最佳理论基础。然而如果我们撇开理论贡献，而仅就实验操作探求而言，那么高温超导电性理论的奠基者，则非卓越实验物理学家、超导电性的发现人海克 • 卡莫林 • 奥纳斯（Heike Kamerlingh Onnes）莫属。

奥纳斯在致冷领域的研究中投入了极大的精力，毫无疑问，也正是由于其在该领域中的发现使他在1913年于斯德哥尔摩荣膺了诺贝尔物理奖，他第一个研究目标是将极端温度条件下的多种气体定量化。该实验计划引导他接近更低的温度，同时也导致他发现了超导电性。

1853年奥纳斯出生于荷兰的东北城市格罗宁根，父亲是一家居室砖厂的厂主，母亲则具有艺术气质，看来这种艺术气质影响了整个家庭。奥纳斯的兄弟和侄子后来都成为了著名的画家，而他的姐姐则嫁给了当时在莱顿极负盛名的艺术家浮利斯 • 弗斯特。奥纳斯年轻时曾涉猎于诗歌领域，现在你依然可以在他的实验室中发现一条奥纳斯充满诗意的座右铭：实验出真知。也正是由于其有着诗人般的热情，从而使他在以后的低温物理学研究中得以全身心的投入。

1870年奥纳斯进入格罗宁根大学学习物理学。他似乎有一点流浪癖，因而转学去了德国的汉堡大学完成他以后的学业，在那儿他投师于化学家罗伯特。本森（R. Bunsen）及物理学家古斯达弗 • 克希霍夫（G. Kirchhoff）门下。

1873年他又回到格罗宁根，并在5年后为他的博士论文“地球自转对短钟摆的影响”进行答辩。据说在他结束答辩时所有的主考官都为其出色表现报以热烈的掌声。为了完成他的研究工作，在他成为阿姆斯特丹大学的物理教授后又被通知与范德瓦斯（Vander Waals）一起合作。

自从17世纪末爱尔兰科学家罗伯特 • 波义尔（R. Boyle）展示了在恒温下气体的体积与压力成反比后，气体特性被大致地了解。结果这个等式把气体的特性描绘成了附属于神学的完美无缺的气体，而气体分子间并不存在任何作用。此后由于度量技术的改善，使化学家和物理学家开始注意到所谓完美气体说的偏颇之处。

范德瓦斯着意于完善和发展一种令人信服的对气体真实属性的描述，以便赋予该属性以合理的定位。

1873年范德瓦斯成功地用公式表达了著名的范氏理论，该理论阐述了非理想气体的真实特性，7年后他正式公开发表了关于气体K实属性的等式。虽然奥纳斯的工作是配合范氏试验并且堪称典范，但是过了一段时间，则发现自己越来越无法忍受跟随在范德瓦斯身边从事对气体特性的研究。

1882年奥纳斯被任命为莱顿大学的物理学教授。虽然定量技术是电磁技术及机械原理的根本，但是令人头痛的是学生们宁愿相信谬误而不相信真理。于是奥纳斯开始从事整体定量以及精密数学的分析。

检验范德瓦斯理论的唯一方法就是在极低温条件下观察气体。臂如将一特别的气体置于极低温度下，从而使它背离唯心主义的气体法则，然后检验范氏对气体真实属性的预言。这些条件的实现有赖于建立极端低温学的理论基础，以及具有极端低温条件的实验室。位于莱顿的实验室1932年被冠名为卡莫林 • 奥纳斯实验室。然而实验需要训练有素的工匠制造各类复杂而又高精密度的工具，同时也要求他们具体掌握一定的低温科学知识以帮助其制造。在莱顿大学中有着不少熟练的吹瓶技师，包括那些能设计样式和确定瓶子质贵的研究者。1877年法国物理学家L • P • 凯勒特（L. P. Cailleter）和瑞士社会学家劳尔 • 皮克特（R. Pictet）成功地液化了氧和氮。而在此之前许多社会团体都极力隐瞒那些气体，千方百计地使其性质接近于氢气，因为那些人认为氧和氮根本不能液化。换句话说，他们认为氧和氮是永久性气体（虽然氮气早已在太阳光谱中被发现，然而煤气直到1895年才在地球上被发现）。奥纳斯这次所要而对的是在实验之前要求压缩气体。与凯勒特和皮克特的成功试验比较，他需要液化的气体数量远远超过他们，因此他需要一种大规模容器以完成其实验。

1892年奥纳斯成功地制造了一种大容量的容器。它的优点在于，该系统的工作原理是首先将一股气体在极端低温下压缩，其次低温条件使气体到达液化点并且膨胀。于是气体就从容器中连绵不断地溢出，如同一条瀑布的流淌。与此同时，使低温气体和氯化钾产生反应，反应的温度为5℃。操作的过程是：奥纳斯持续压缩乙烯，然后是氧，最后才是空气。

然而只有在绝对零度下才能得到液态氧。因此必须制造更为精巧的设施。从理论上来说气体的温度应该越低越好，当气体的温度达到零下273.15℃时，被称为绝对零度。

1898年苏格兰低温物理学家J • 杜瓦（J. Dewar）利用著名的焦耳-汤姆逊热力学膨胀效应改进了奥纳斯的液化氢实验：在某种气体通过一阀门膨胀的过程中，该气体的温度会发生变化，通常是温度下降。焦耳汤姆逊膨胀理论通常应用于实验室仪器的级联部分，杜瓦则将其精力倾注于该效应在液化氢的应用上。假如将氢气预冷至-80℃，然后使之膨胀，它的温度将下降得更快（确切地说，在-80℃以上，如果使氢气膨胀，气温将升高。这就是为什么-80℃是氢气膨胀的倒转温度）。利用这种方法，杜瓦将氢气的温度降至-253℃，换而言之可称为20 K。

杜瓦的装置仅能生产少量的氢。这使得他很失望，然而奥纳斯却从中得到启发。杜瓦的研究成果使得温度的绝对零度化变得简单，这就使奥纳斯成为了明白绝对零度真谛的第一人。

于是奥纳斯开始将注意力转移到比杜瓦的实验能更大量生产液化氢的方法，这也就是为什么他比杜瓦晚8年得到研究成果的原因。另一个原因是运河上的意外：1807年一艘荷兰军舰在运河中段爆炸，而奥纳斯的研究室恰巧建造在该区域。直到1896年当该城考虑重新建造氢气试验室时，莱顿市政府依然对当年的事故心有余悸而难下决心。最后在范德瓦斯等人的不懈努力下，新的实验室终于建成了。但奥纳斯的研究因此被迫暂停了两年。

1906年，奥纳斯和他的研究小组发展了一种可以大批量生产液化氢的装置：液化氢通过气体压缩器，并通过由液态空气冷却的区域，再使之膨胀，这样即可最大限度地使氢气冷却至液化程度。通过该装置与其他的液化气体混合，这样冷却的氢就可以充分地溶解到最小程度。经奥纳斯改进后的这套装置从以前的每小时生产4公升一下子提高到每小时可生产13公升。

1895年，当奥纳斯和杜瓦尝试着液化氢的时候，英国化学家维廉姆 • 拉姆赛（W. Ramsay）已经发现了氢是地球上最轻的惰性气体，其原子间的相互作用力十分微小。这种极微小的相互作用就导致了氢气的超低凝聚温度。当液态氢终于部分实现了人类孜孜追求液化气体的梦想后，接下来的就是氮气的液化了。“我已经下定决心继续我的追求”奥纳斯写道。

第一步是要求有适量的当时发现不久的氦气，幸运的是奥纳斯的兄弟从阿姆斯特丹商业部得到情报。最近有一批从美国南卡罗来纳州运抵荷兰的含有氮气的独居石矿石，于是奥纳斯从中提取了约300公升的氮气。

液态氮稳定而又大量的提供是奥纳斯能够有效地液化氦的根本保证。他设计了一个新的装置，先使用液态的空气进而用液态的氢作为冷冻剂，从而能获得极少数宝贵的液态氦。该系统于1908年7月10日正式运行，并在校园内传为佳话。

到了下午，氦气通过了冷却网络，但直到傍晚还没有液化，并且温度也没有达到4.2 K。一名化学教授F • 斯莱因梅克（F. Schreinemakers）建议，也许是温度计出了毛病：也许液体氦早就存在只不过很难看见罢了。于是奥纳斯决定重新再来一遍。过了一会奇迹发生了，在容器的表面渐渐地出现了液化氦。他非常高兴地将这一成果告诉范德瓦斯。由于这一次试验的成功，使得奥纳斯又将温度下降了1.7 K，并且向真正的绝对零度又逼近了一步。他们继续用液态氦观察极端低温（因为在此之前，液化®气要比其它的气体更适合观察极端低温）。

在以后的3年中，奥纳斯进一步完善了用于研究液化氦的装置，但是将氦气从一个器皿转移到另一个器皿是十分困难的。最后在1911年，液氦低温保持器-——一种能够让氦在恒定低温下保持液体的装置问世了。在那个时候人们就已知道电阻随着温度的不断升高而不断加大。所以当时的人们都热烈地讨论：在绝对零度下电阻还会不会产生？开尔文爵士深信在极端低温的情况下，电流有可能无阻运行。在绝对零度情况下电流将会无限大。另一方面奥纳斯和杜瓦也认为假定温度与电阻成正比继续有效，物理实验终将达到绝对零度（1905年德国科学家能斯特证明了热力学中无法达到绝对零度的规律）。利用稀有的氮同位素He3，人们得到了0.3 K的温度。而利用原子核去磁法人们得到了0.05 K的低温。如此低的温度简直使人目瞪口呆。而且就1911年原子水平方面的认识而论，也是难以预料的。由于金属中杂质会干扰电流，也会混淆实验的结果，所以奥纳斯决定从事水银的工作。这样他就可以通过不断地蒸馏液体水银，来示范他的低温试验：将水银注入一根带有两个电极的玻璃U型毛细管内，这样做的目的是为了测量当水银仍旧保持液态时通过它的电流。最终水银冷凝在固态电线上。奥纳斯小组发现了预期的随着温度的下降，水银的电阻也下降的规律。但进一步试验发现，当液氦温度在绝对温度之上并仍然可测的条件下，惊人的一幕发生了：水银的电阻竟然一下子全部消失。

奥纳斯、格列特 • 弗列姆（G. Flim）成为了科研人员的领袖，并与康纳利斯 • 道斯曼（C. Dossman）和吉列尔斯特（G. Holst）一起合作进行试验。奥纳斯和弗列姆负责照看水银，而康纳利斯 • 道斯曼和吉列尔斯特则在距离他们50米远的一个屋子里作记录。亚可布 • 戴诺贝尔（J. De Nobel），莱顿低温物理实验室的科学家，最近他详尽描述了从弗列姆那儿听来的故事。当年弗列姆还是个年轻的小伙子，重复的实验均显示水银在液氦温度下没有电阻。实验者们假设水银中有一些细小的电流通路在起作用，因此他们将U型玻璃细管与另一根两头带电极的W型管扭结起来，将电阻测量分为四个阶段，但水银的电阻还是为零。再实测每一个阶段，也未发现任何回路存在。

他们继续重复着试验，一个教学仪器制造学校的学生被雇来监视连在装置上的压力表读数。冷凝器中氮气的压强必须稍低于大气压强，这样空气就会渗透进入任何细小缝隙冷凝并封死它们。在第一轮实验进行中，压力持续上升，与此同时温度也上升，在温度上升至4.2 K时，霍尔斯特看到电流表读数突然跃升——水银内的电阻出现了。

根据戴诺贝尔的描述，霍尔斯特无意中目睹了电流在水银中的反常表现即达到超常传导的行为，奥纳斯称之为超导电性。奥纳斯重新检验了这一试验，并证实该试验是真实的。在1911年的11月，他正式公布了这一成果，并用铅和锡再一次向世人展示了这一试验。

1914年奥纳斯用一个铅制的超导钱圈制造了永久电流，他称之为持续超流。该线圈被放置于低温下的冷凝器中，电流则由外加磁场诱导产生。在线圈中，电子无阻并永无止境地自由流动着。在观看了该实验之后，奥地利籍荷兰物理学家保罗 • 艾伦费斯特（P. Ehrenfest）写信给诺贝尔物理学会的荷兰物理学家亨德利克 • 洛伦兹（H. Lorentz）：“这看上去有些怪诞：在一根磁针上竟能观看永久电流的影响力！你几乎可以实实在在地感知分子电流的小磁针在线圈内缓慢无阻地无休止滚动。”

奥纳斯有些失望，因为磁场强度的递增将导致超导电性的失败。这也意味着只有极少数的材料能够成为超导电流的载体而可以穿过磁场，并且避免磁场对超导电性的伤害。这是超导电性在实际应用中最大的障碍，也是奥纳斯在其后生命旅程期的试图探索的目标。半个世纪后这种材料才问世，该材料可以使电流大量通过磁场。超导电性也在20世纪下半叶被广泛地应用于医学界和磁性共振显像技术领域。海克 • 卡莫林 • 奥纳斯于1926年去世，由于他积劳成疾患上支气管炎，最终不得不在瑞典休养而离开实验室。但他尚未康复就又参加了工作，直到临终。据莱顿城的传闻，奥纳斯的葬礼持续了很长时间。前来悼念的队伍准时到达了预定的地点伏尔肖登村。大家相互催促着前进，格雷特 • 弗列姆还说：“有一位老人敁至在奔跑。”

虽然在奥纳斯一生的探索中，超导电性是一个神秘的研究领域，然而他坚信终有一天，能够负载超导电流的材料将会诞生。如今，磁悬浮列车，超导输电线就是该技术最值得骄傲的两大应用实例。

奥纳斯将他的一生奉献给了低温物理学和超导电性的研究，

 ［Scientific American，1997年第3期］