某些材料在低于某一温度时电阻竟然会突变为零，这就是神奇的超导现象，至今仍是物理学中最迷人也最难以解释的现象之一。19-20世纪之交，科学家们在追求接近绝对零度（-273.15℃）的竞赛中意外地发现了超导现象，开拓了人类认知的新视野。今天的超导在医疗和粒子加速器等各个领域有如此广泛而重要的应用，也许是先驱们始料不及的。  

在超导的百年研究历史之中，发现超导现象的海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）是绕不开的人物。1911年，他发现汞在温度降低到4.2K时电阻突然消失，由此打开了超导世界的大门。 

然而，除了发现超导这一伟大成就，大多数人对于这位低温物理学家知之甚少，甚至连他的名字都存在着许多误解。他本人以及发现超导背后的故事值得更多的叙说。

一个容易读错的复姓 

洪朝生先生（1920-2018） 

在海克·卡末林·昂内斯的名字中，“海克”取自他祖父的名字，“卡末林·昂内斯”取自他父亲的姓。其中Onnes源于祖父一脉，Kamerling则来自祖母。Kamerling姓源于德国的宫廷管家职务，这种职务姓在我国也很常见，例如史、褚、司空、司徒等。由于家道变故，卡末林·昂内斯的家族受祖母Meisina Kamerling救济，始用复姓Kamerling Onnes。 

洪先生讲求表述上“言谨”的小事，恰是老一辈科学家们严谨治学的一个缩影。外化于形的严谨，正是他们能够有超乎常人重大科学发现的原因之一。 

伏案工作的洪朝生先生 

洪先生早年在普渡大学从事低温实验研究时，就遇到来自卡末林·昂内斯实验室的彼得·H·基森（Pieter H Keesom），他们常躺在地上修理氦液化器。洪先生在实验中发现了反常霍尔效应，提出禁带中杂质能级导电唯象模型，在半导体史上留下了浓重一笔。彼得的父亲威廉·H·基森（Willem H. Keesom）正是卡末林·昂内斯的继任者和得意门生，他首次获得固态氦，发现了液氦从一般流体相变为超流体的λ点。离开普渡大学后，洪先生还曾到卡末林·昂内斯实验室工作了一年。 

1898年5月10日，杜瓦利用焦耳-汤姆孙效应首先实现了氢的液化，他看到了绝对零度这个令人激动的研究课题。当时新发现的氦气还被视为“永久气体”。在氦气液化研究的竞赛中，杜瓦因不能获得足够纯净的氦气而失败，而卡末林·昂内斯通过一个经营贸易管理的弟弟获得了高纯度氦气。 

1908年7月10日，卡末林·昂内斯在人类历史上首次实现氦气的液化。此前不久，曾有一个大写的尴尬新闻事件，他以为观察到了云状的“固氦”，报道纷至沓来。但实际那是被冻结的杂质氢，时人戏称为“半氦（Halvium）”事件：“半个氦”就是“氢”的委婉说法，因为氢有一个质子，而氦有两个质子。 

卡末林·昂内斯和他的团队在实验之前做了充分的准备，包括计算氦液化温度、压缩机转速、足够的原料、设备检漏等。实验中，他们小心翼翼地注入液氢，生怕混入空气而前功尽弃。他们紧张地看着仪表，甚至顾不上吃东西，妻子伊丽莎白喂了疲惫的丈夫一块面包。在-269℃，温度计突然显示出一个惊人的稳定。液氢告罄，依然没有液氦的迹象。马上宣告实验失败之际，围观的一位化学家注意到气体温度计似乎在液浴里，故建议从恒温器下面照亮玻璃容器，看看是否已有了液面。卡末林·昂内斯第21次也是将最后一部分氦气注入，拿起了一盏灯，果然看到了液面的反光。新月般液面的轮廓像刀锋一样映在玻璃壁上。此次共获60毫升的液氦，但这一小杯液氦却标志着一个划时代的科学发现。 

卡末林·昂内斯马上给杜瓦发了一电报，杜瓦回电祝贺，表示很高兴用他的方法实现了氦液化，并说“我的氦研究因我健康不佳而受阻，希望以后能再继续”。 

莱顿布尔哈夫博物馆陈列的第一台氦液化器（右为凯泰型压缩机） 

由于卡末林·昂内斯的实验记录本把1911年混淆为1910年，加上字迹相当潦草，人们长期认为发现超导的重要的实验记录丢失了。超导的发现确实没有像氦液化那样的一手资料，这引发了种种猜测，甚至有传言说“可能是想象出来的故事”。雅各布斯·德·诺贝尔（Jacobus de Nobel）根据当事人的讲述，描述了一个“蓝色男孩”的故事：身着蓝色工作服的男孩在调节氦气压力时睡着了，温度缓慢升高，水银又恢复了正常电阻，所以才排除不是短路故障，而是新发现。

故事虽传奇，但这只是个传说。详细解读实验笔记，卡末林·昂内斯团队观察到超导实验的精确日期是1911年4月8日，他们甚至仔细检查了测量电路是否受抽真空变形的影响，并判断出电阻消失不是短路造成的，表明他们当时对超导现象相当困惑。

4月8日实验的目的只是测试液氦向恒温器的转注。上图中的恒温器展示了令人惊叹的吹制技术和精细结构。这次不仅观察到了水银的“零电阻”现象，在当时还没有意识到的情况下，竟然还“观察到”（而不是发现了）液氦向“超流体”的跃迁。实验记录着“就在达到最低温度（约1.8 K）之前，沸腾突然停止”。在同一天，人类第一次看到了两种不同的宏观量子效应。 

超导现象实际是在几个月后才真正被发现，其中经历了一个复杂的过程。后续的实验发现，在“零电阻”和完全电阻之间的转变发生在非常窄的温度范围，仅约0.1K。卡末林·昂内斯意识到了这种新现象的重要性，称之为 “超导电性”（superconductivity），并创造了“超导”一词，旋即在当年秋天的首次索尔维会议（Solvay Conference）上宣布。 

1914年对超导体持续电流的观察，最终证明了超导性确实是一种全新的现象，目睹了实验的保罗·埃伦费斯特说“惊呆了”。1932年，助手弗利姆（Gerrit Jan Flim）在英国皇家学会星期五之夜的讲座上演示了超导的“最轰动的效应”。在同一张桌子上，距离杜瓦演示氢气的液化刚刚过去33年。 

卡末林·昂内斯与弗利姆在低温实验室丨图片来源：莱顿大学

在热力学中，熵和焓是两个重要的但不容易理解的概念，英文分别为Entropy 和Enthalpy，但分别以S和H表示。这两个符号背后，其实是向两位科学家致敬，分别是萨迪·卡诺和卡末林·昂内斯。

 熵是定义热力学系统状态的五个物理量中的最后一个，也最晦涩，最初来自德语Entropie，是鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）在1865年研究热力学定律中创造出来的。拼写源自希腊语en和tropḗ，有“转化”之意。熵的代表符号是S，由克劳修斯本人决定，以纪念创立理想热机理论的热力学奠基人萨迪·卡诺（Sadi Carnot）。 

萨迪·卡诺（左，1796-1832）和鲁道夫·克劳修斯丨图片来源：科学图片库 

Entropy汉译为熵，也是一段佳话。1923年鲁道夫·普兰克（Rudolf Plank）来华（注意：不是量子物理先驱马克斯·普朗克），在东南大学做了题为《热力学第二定律及熵术语》的讲演，胡刚复先生任翻译。胡先生觉得Entropy这个概念太复杂，便根据其量纲为热量与温度的之商，参考了汉语的“墒”（意为土中适合发芽的湿度），即兴创造了新字“熵”。 

1923年《科学》第五期刊登的普兰克熵讲稿和青年胡刚复（右2） 

焓（Enthalpy）是热力学中新的状态函数，用符号H表示，定义为内能U加上压强P和体积V之积，吉布斯称之为“热含量”。卡末林·昂尼斯在1909年创造了Enthalpy这个名字，并以H表示。单词拼写来自希腊语， en（in）和thalpos（热量）。

焓的定义 

19世纪初，字母H有时代表热，直到1922年，英国热力学教师A·W·波特（Alfred W. Porter）正式提出H作为公认的焓的符号。波特给出了合理的理由，H可以代表热含量之意 (Heat Contents) ，希腊字母的H也对应于英文中的E (Enthalpy)。Enthalpy汉译为焓是我国工程教育开拓者刘仙洲先生所创，焓是自有字，意为热情。译为焓，反映了热力学量纲，又体现出含有能量之意。 

1911年2月，爱因斯坦第一次访问莱顿大学，他渴望见到洛伦兹和卡末林·昂尼斯，想要参观后者著名的低温实验室，因为他对于电阻与低温关系的研究很感兴趣。其实早在1901年，22岁的爱因斯坦刚从苏黎世理工学院毕业，就曾在明信片贴上一张邮票，附上他最近发表的关于分子间作用力的论文，邮给了卡末林·昂尼斯，希望能申请到助教奖学金。然而，卡末林·昂内斯当时并没有回复爱因斯坦。 

十年后来到莱顿大学的爱因斯坦已经发表了光电效应、狭义相对论等多篇划时代的论文，不再是一个默默无闻的恳求者。卡末林·昂尼斯幽默地笑道：“想着应该是我做你的助教了”。他们成为了密切的朋友，并在第一届索尔维会议上再次相见。在卡末林·昂内斯逝后的第四天，爱因斯坦沉重地向伊丽莎白夫人表达了吊唁。 

索尔维会议是比利时实业家欧内斯特·索尔维（Ernest Solvay）创立的物理和化学讨论盛会，每三年举行一届，其中以第五届（1927年）因爱因斯坦与玻尔两人的辩论最为著名。第一届参加的有洛伦兹（大会主席）、卡末林·昂内斯、普朗克、能斯特、维恩、居里夫人、庞加莱等，其中爱因斯坦最年轻。

爱因斯坦致唁伊丽莎白夫人的信封丨图片来源：莱顿布尔哈夫博物馆

回望

 除了实现氦气液化、发现超导现象、创造新名词，卡末林·昂内斯的事迹与成就还不止于此。

卡末林·昂内斯是一个学术上相当开放的人，几乎当时所有的低温实验室都有他培训出来的技师。他在被问及老师对科学生涯的影响时说，“一位好老师，实际上决定了学生职业选择的四分之三。”学术之外，他在一战期间和之后非常积极地消除科学家之间的政治分歧，并在粮食短缺的国家救助饥饿的儿童。 

卡末林·昂内斯努力实验和工作的另一大原因是他要完成对挚友范德瓦耳斯的分子定律的测试。范德瓦尔斯是研究热力学的专家，一项著名的工作就是提出了一种实际气体的状态方程，他也是1910年诺贝尔物理奖的获得者。 

学术合作近四十年的老朋友卡末林·昂内斯（左）和范德瓦尔斯丨图片来源：莱顿大学《卡末林·昂内斯的笔记》

卡末林·昂内斯去世6年后，莱顿大学物理实验室被命名为“卡末林·昂内斯实验室”，月球背面一座古老的大型陨石坑同样以他的名字命名。在莱顿大学为他所立的雕像之下镌刻着座右铭 “Door meten tot weten”（知识源于测量），源于他29岁就职演讲的主题，也是他科学生涯的真实写照。 

莱顿大学的卡末林·昂内斯雕像丨图片来源：Historical Marker Database