某些材料在低於某一溫度時電阻竟然會突變為零，這就是神奇的超導現象，至今仍是物理學中最迷人也最難以解釋的現象之一。19-20世紀之交，科學家們在追求接近絕對零度（-273.15℃）的競賽中意外地發現了超導現象，開拓了人類認知的新視野。今天的超導在醫療和粒子加速器等各個領域有如此廣泛而重要的應用，也許是先驅們始料不及的。
在超導的百年研究歷史之中，發現超導現象的海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）是繞不開的人物。1911年，他發現汞在溫度降低到4.2K時電阻突然消失，由此打開了超導世界的大門。
獲得諾貝爾獎時的海克·卡末林·昂內斯（1853 -1926）丨諾貝爾基金會檔案館
然而，除了發現超導這一偉大成就，大多數人對於這位低溫物理學家知之甚少，甚至連他的名字都存在著許多誤解。他本人以及發現超導背後的故事值得更多的敘說。
一個容易讀錯的複姓
對於海克·卡末林·昂內斯一名，人們時常簡稱為“昂內斯”，甚至連《中國百科大辭典》也譯為“昂納斯”，《自然科學學科辭典》譯為“H·昂內斯”，這些都是不嚴謹的表述。
我國低溫物理和超導研究奠基人之一的洪朝生先生曾解釋過為什麼不宜將這位物理學家的名字簡稱為“昂內斯”。洪先生指出，Kamerlingh Onnes是一種複姓（compound surname），Onnes只是姓氏的一部分。稱呼卡末林·昂內斯為昂內斯，就像中文裡把姓司馬的人稱為馬先生。因此，英文文獻中幾乎不會直呼Onnes，更多將名字縮寫為HKO。
洪朝生先生（1920-2018）
在海克·卡末林·昂內斯的名字中，“海克”取自他祖父的名字，“卡末林·昂內斯”取自他父親的姓。其中Onnes源於祖父一脈，Kamerling則來自祖母。Kamerling姓源於德國的宮廷管家職務，這種職務姓在我國也很常見，例如史、褚、司空、司徒等。由於家道變故，卡末林·昂內斯的家族受祖母Meisina Kamerling救濟，始用複姓Kamerling Onnes。
洪先生講求表述上“言謹”的小事，恰是老一輩科學家們嚴謹治學的一個縮影。外化於形的嚴謹，正是他們能夠有超乎常人重大科學發現的原因之一。
伏案工作的洪朝生先生
洪先生早年在普渡大學從事低溫實驗研究時，就遇到來自卡末林·昂內斯實驗室的彼得·H·基森（Pieter H Keesom），他們常躺在地上修理氦液化器。洪先生在實驗中發現了反常霍爾效應，提出禁帶中雜質能級導電唯象模型，在半導體史上留下了濃重一筆。彼得的父親威廉·H·基森（Willem H. Keesom）正是卡末林·昂內斯的繼任者和得意門生，他首次獲得固態氦，發現了液氦從一般流體相變為超流體的λ點。離開普渡大學後，洪先生還曾到卡末林·昂內斯實驗室工作了一年。
1950年，洪朝生（左）與鄧稼先在普渡大學低溫實驗室簡易房前丨許鹿希《鄧稼先圖片傳略》
1950年，洪朝生在荷蘭萊頓大學做實驗的地方丨中國科學院理化技術研究所
發現超導前的“黎明”：氦氣液化
卡末林·昂內斯是1913年諾貝爾物理獎得主，並創造了“超導”一詞，然而他並非因發現超導而獲獎。他的獲獎理由是“實現了氦氣液化和低溫下物性的研究”，最終證明超導是一種全新的現象則是他獲獎以後的事情。
卡末林·昂內斯油畫像和他的諾貝爾獎證書丨萊頓大學和瑞典皇家科學院
1898年5月10日，杜瓦利用焦耳-湯姆孫效應首先實現了氫的液化，他看到了絕對零度這個令人激動的研究課題。當時新發現的氦氣還被視為“永久氣體”。在氦氣液化研究的競賽中，杜瓦因不能獲得足夠純淨的氦氣而失敗，而卡末林·昂內斯透過一個經營貿易管理的弟弟獲得了高純度氦氣。
杜瓦實現氫液化後立即發給卡末林·昂內斯的電報內容為“液化氫氣和氦氣”
1908年7月10日，卡末林·昂內斯在人類歷史上首次實現氦氣的液化。此前不久，曾有一個大寫的尷尬新聞事件，他以為觀察到了雲狀的“固氦”，報道紛至沓來。但實際那是被凍結的雜質氫，時人戲稱為“半氦（Halvium）”事件：“半個氦”就是“氫”的委婉說法，因為氫有一個質子，而氦有兩個質子。
儲存液氦的玻璃杜瓦瓶內部，杜瓦的發明流傳出實驗室而成為商業化保溫瓶丨中國科學院理化技術研究所
卡末林·昂內斯和他的團隊在實驗之前做了充分的準備，包括計算氦液化溫度、壓縮機轉速、足夠的原料、裝置檢漏等。實驗中，他們小心翼翼地注入液氫，生怕混入空氣而前功盡棄。他們緊張地看著儀表，甚至顧不上吃東西，妻子伊麗莎白餵了疲憊的丈夫一塊麵包。在-269℃，溫度計突然顯示出一個驚人的穩定。液氫告罄，依然沒有液氦的跡象。馬上宣告實驗失敗之際，圍觀的一位化學家注意到氣體溫度計似乎在液浴裡，故建議從恆溫器下面照亮玻璃容器，看看是否已有了液麵。卡末林·昂內斯第21次也是將最後一部分氦氣注入，拿起了一盞燈，果然看到了液麵的反光。新月般液麵的輪廓像刀鋒一樣映在玻璃壁上。此次共獲60毫升的液氦，但這一小杯液氦卻標誌著一個劃時代的科學發現。
卡末林·昂內斯馬上給杜瓦發了一電報，杜瓦回電祝賀，表示很高興用他的方法實現了氦液化，並說“我的氦研究因我健康不佳而受阻，希望以後能再繼續”。
萊頓布林哈夫博物館陳列的第一臺氦液化器（右為凱泰型壓縮機）
意外的發現：超導
1911年10月26日的實驗資料記錄了汞在溫度低於4.20K時轉變為超導態丨1911年第一屆索爾維會議報告
由於卡末林·昂內斯的實驗記錄本把1911年混淆為1910年，加上字跡相當潦草，人們長期認為發現超導的重要的實驗記錄丟失了。超導的發現確實沒有像氦液化那樣的一手資料，這引發了種種猜測，甚至有傳言說“可能是想象出來的故事”。雅各布斯·德·諾貝爾（Jacobus de Nobel）根據當事人的講述，描述了一個“藍色男孩”的故事：身著藍色工作服的男孩在調節氦氣壓力時睡著了，溫度緩慢升高，水銀又恢復了正常電阻，所以才排除不是短路故障，而是新發現。
故事雖傳奇，但這只是個傳說。詳細解讀實驗筆記，卡末林·昂內斯團隊觀察到超導實驗的精確日期是1911年4月8日，他們甚至仔細檢查了測量電路是否受抽真空變形的影響，並判斷出電阻消失不是短路造成的，表明他們當時對超導現象相當困惑。
首次發現超導現象的玻璃液氦恆溫器（毛細管內徑50um）。外部容器注入酒精，是為防止水蒸氣在玻璃上凝結影響觀察；圖中的顏色主要用來區別結構示意，並不是低溫液體真正的顏色
4月8日實驗的目的只是測試液氦向恆溫器的轉註。上圖中的恆溫器展示了令人驚歎的吹制技術和精細結構。這次不僅觀察到了水銀的“零電阻”現象，在當時還沒有意識到的情況下，竟然還“觀察到”（而不是發現了）液氦向“超流體”的躍遷。實驗記錄著“就在達到最低溫度（約1.8 K）之前，沸騰突然停止”。在同一天，人類第一次看到了兩種不同的宏觀量子效應。
超導現象實際是在幾個月後才真正被發現，其中經歷了一個複雜的過程。後續的實驗發現，在“零電阻”和完全電阻之間的轉變發生在非常窄的溫度範圍，僅約0.1K。卡末林·昂內斯意識到了這種新現象的重要性，稱之為“超導電性”（superconductivity），並創造了“超導”一詞，旋即在當年秋天的首次索爾維會議（Solvay Conference）上宣佈。
第一次觀察到超導現象的記錄藍線標記處寫著Kwik nagenoeg nul意為“水銀實際（電阻）為零”丨荷蘭布林哈夫博物館
1913年卡末林·昂內斯關於超導研究中對液氫和液氦溫度的記錄，在他用德語書寫給諾貝爾獎得主威廉·維恩的信中，表達了做的幾次實驗都沒有產生令人滿意的結果丨natedsanders.com
1914年對超導體持續電流的觀察，最終證明了超導性確實是一種全新的現象，目睹了實驗的保羅·埃倫費斯特說“驚呆了”。1932年，助手弗利姆（Gerrit Jan Flim）在英國皇家學會星期五之夜的講座上演示了超導的“最轟動的效應”。在同一張桌子上，距離杜瓦演示氫氣的液化剛剛過去33年。
卡末林·昂內斯與弗利姆在低溫實驗室丨萊頓大學
新詞的創造和漢譯：熵和焓
在熱力學中，熵和焓是兩個重要的但不容易理解的概念，英文分別為Entropy 和Enthalpy，但分別以S和H表示。這兩個符號背後，其實是向兩位科學家致敬，分別是薩迪·卡諾和卡末林·昂內斯。
熵是定義熱力學系統狀態的五個物理量中的最後一個，也最晦澀，最初來自德語Entropie，是魯道夫·克勞修斯（Rudolf Clausius）在1865年研究熱力學定律中創造出來的。拼寫源自希臘語en和tropḗ，有“轉化”之意。熵的代表符號是S，由克勞修斯本人決定，以紀念創立理想熱機理論的熱力學奠基人薩迪·卡諾（Sadi Carnot）。
薩迪·卡諾（左，1796-1832）和魯道夫·克勞修斯丨科學圖片庫
Entropy漢譯為熵，也是一段佳話。1923年魯道夫·普蘭克（Rudolf Plank）來華（注意：不是量子物理先驅馬克斯·普朗克），在東南大學做了題為《熱力學第二定律及熵術語》的講演，胡剛復先生任翻譯。胡先生覺得Entropy這個概念太複雜，便根據其量綱為熱量與溫度的之商，參考了漢語的“墒”（意為土中適合發芽的溼度），即興創造了新字“熵”。
1923年《科學》第五期刊登的普蘭克熵講稿和青年胡剛復（右2）
焓（Enthalpy）是熱力學中新的狀態函式，用符號H表示，定義為內能U加上壓強P和體積V之積，吉布斯稱之為“熱含量”。卡末林·昂內斯在1909年創造了Enthalpy這個名字，並以H表示。單詞拼寫來自希臘語， en（in）和thalpos（熱量）。
焓的定義
19世紀初，字母H有時代表熱，直到1922年，英國熱力學教師A·W·波特（Alfred W. Porter）正式提出H作為公認的焓的符號。波特給出了合理的理由，H可以代表熱含量之意 (Heat Contents) ，希臘字母的H也對應於英文中的E (Enthalpy)。Enthalpy漢譯為焓是我國工程教育開拓者劉仙洲先生所創，焓是自有字，意為熱情。譯為焓，反映了熱力學量綱，又體現出含有能量之意。
左：A·W·波特丨英國皇家學會
右：劉仙洲先生丨中國科學報
拒絕愛因斯坦的申請
1911年2月，愛因斯坦第一次訪問萊頓大學，他渴望見到洛倫茲和卡末林·昂內斯，想要參觀後者著名的低溫實驗室，因為他對於電阻與低溫關係的研究很感興趣。其實早在1901年，22歲的愛因斯坦剛從蘇黎世理工學院畢業，就曾在明信片貼上一張郵票，附上他最近發表的關於分子間作用力的論文，郵給了卡末林·昂內斯，希望能申請到助教獎學金。然而，卡末林·昂內斯當時並沒有回覆愛因斯坦。
愛因斯坦1901年4月12日申請萊頓實驗室助理的明信片丨萊頓布林哈夫博物館
十年後來到萊頓大學的愛因斯坦已經發表了光電效應、狹義相對論等多篇劃時代的論文，不再是一個默默無聞的懇求者。卡末林·昂內斯幽默地笑道：“想著應該是我做你的助教了”。他們成為了密切的朋友，並在第一屆索爾維會議上再次相見。在卡末林·昂內斯逝後的第四天，愛因斯坦沉重地向伊麗莎白夫人表達了弔唁。
卡末林·昂內斯夫婦與愛因斯坦等丨萊頓大學
第一屆索爾維會議（區域性）
後排從左到右依次為盧瑟福、卡末林·昂內斯、愛因斯坦、朗之萬
索爾維會議是比利時實業家歐內斯特·索爾維（Ernest Solvay）創立的物理和化學討論盛會，每三年舉行一屆，其中以第五屆（1927年）因愛因斯坦與玻爾兩人的辯論最為著名。第一屆參加的有洛倫茲（大會主席）、卡末林·昂內斯、普朗克、能斯特、維恩、居里夫人、龐加萊等，其中愛因斯坦最年輕。
炭筆畫：愛因斯坦與卡末林·昂內斯
愛因斯坦致唁伊麗莎白夫人的信封丨萊頓布林哈夫博物館
回望
除了實現氦氣液化、發現超導現象、創造新名詞，卡末林·昂內斯的事蹟與成就還不止於此。
處於超流相的液氦會在容器壁上以薄膜的形式緩慢向上移動，這一反直覺的現象以卡末林·昂內斯的名字命名，以紀念他已經認識到了超流性的一個基本性質。
處於超流相的液氦會在杯身內面向上緩慢攀爬，爬過杯口後在杯身底部聚集為一滴液氦珠，最後在重力作用下滴落丨Alfred Leitner
http://ipfactly.com/liquid-helium-superfluid-state/
卡末林·昂內斯是一個學術上相當開放的人，幾乎當時所有的低溫實驗室都有他培訓出來的技師。他在被問及老師對科學生涯的影響時說，“一位好老師，實際上決定了學生職業選擇的四分之三。”學術之外，他在一戰期間和之後非常積極地消除科學家之間的政治分歧，並在糧食短缺的國家救助飢餓的兒童。
卡末林·昂內斯努力實驗和工作的另一大原因是他要完成對摯友范德瓦耳斯的分子定律的測試。範德瓦爾斯是研究熱力學的專家，一項著名的工作就是提出了一種實際氣體的狀態方程，他也是1910年諾貝爾物理獎的獲得者。
學術合作近四十年的老朋友卡末林·昂內斯（左）和範德瓦爾斯丨《卡末林·昂內斯的筆記》
卡末林·昂內斯去世6年後，萊頓大學物理實驗室被命名為“卡末林·昂內斯實驗室”，月球背面一座古老的大型隕石坑同樣以他的名字命名。在萊頓大學為他所立的雕像之下鐫刻著座右銘 “Door meten tot weten”（知識源於測量），源於他29歲就職演講的主題，也是他科學生涯的真實寫照。
萊頓大學的卡末林·昂內斯雕像丨Historical Marker Database
作者：胡忠軍
作者單位：中國科學院理化技術研究所
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