1913年諾貝爾物理獎：卡梅林・昂內斯

物質有哪幾種狀態？氣態、液態、固態，還有形成火焰的離子態，都是日常例子。1913年的諾貝爾物理獎就頒給卡梅林‧昂內斯（Kamerlingh Onnes），表揚他成功把氦氣液化，而且創下了當時人造最低溫紀錄：絕對零度以上1.15度——1.15K——即攝氏 -272度。

 

 
使氣體變成液體可以靠加壓或降溫。因技術所限，19世紀末的科學家主要靠降低溫度把氣體液化。每種氣體的液化溫度——沸點——都不相同，而且隨壓力改變。例如水在1大氣壓力的海平面的沸點是攝氏100度，但在壓力較低的地方，例如較高海拔，沸點就會比攝氏100度低；大氣含量最高的氮氣在1大氣壓力下沸點為攝氏 -195.795度。

1908年以前，除了氦氣以外所有氣體都已經被成功液化，因此造出能夠液化氦氣的低溫是科學家的目標。人造低溫能夠讓科學家在前所未有的環境之中做實驗，研究物質在極度寒冷時的特性。而幫助物理學家把氣體液化的原理，就是1911年諾貝爾物理獎得主范德華導出的氣體物態方程。

昂內斯自1894年起就在荷蘭萊頓大學（Leiden University）建立了一個低溫物理實驗室，並在那裡與他的研究團隊成功把氧氣和氫氣液化。經過24年的努力，昂內斯終於在1908年造出攝氏 -269度——4.15K——的破紀錄人造低溫，並且成功把氦氣液化。
 

 

 
液化氦氣並非研究低溫物理的唯一目的。液化了氦氣之後，昂內斯反過來使用液態氦進一步把實驗溫度降低至1.5K。利用液態氦的極低溫度研究金屬的導電性質時，他發現電阻隨溫度下降。當他使用液態氦把金和鉑冷卻至4.3K以下時，其電阻就變成定值，不再隨溫度下降。他也發現，如果把汞降溫至4.2K以下，其電阻則完全變成零。
 
電阻是電壓和電流的比例。零電阻代表不需要電壓也能維持電流，電流能量不會衰減，因此能夠永遠流動。這現象稱之為超導（superconductivity）。昴內斯因研究低溫物理而發現了首個超導現象。

物理學家發現並非所有金屬都會在極低溫下變成超導體，而且有些非金屬材料亦會出現超導現象。超導是一種量子效應，不能以經典電磁學說解釋。於1933年，瓦特‧邁斯納（Walther Meißner）發現超導現象會排斥磁場，現稱為邁斯納效應。

 

 
用超導體造的電磁鐵可用來產生強大磁場。位於法國和瑞士地底的大型強子對撞機（LHC）就使用了約10,000個超導電磁鐵。然而，大部分材料都要在極低溫下才出現超導特性，而維持低溫需要消耗很多能量，不方便應用。所以，現代物理學的一個熱門研究方向就是尋找高溫超導材料。

百多年之前，沒有人能夠想像昂內斯的液化氦實驗會成就今天LHC的實驗基礎。科學進程並非康莊大道，反而是曲折離奇的林蔭小徑。可是，只有經過科學探索過程中的跌跌撞撞，我們才能獲得知識、成就文明。