王震元
法拉第直面挑战
自然界中的物质虽然千姿百态，但最为人所熟悉的是气态、液态和固态。按照英国科学家道尔顿的观点，由于组成物质的原子—分子相同，同一种物质的3种形态在一定条件下可以互相转换，冰、水、水蒸气就是人们熟悉的同一种物质的“三态”。当然，也有学者持不同见解，认为某些气体是“永久气体”，或者说是不能液化的。
然而1822年，正在皇家学院实验室工作的法拉第，却完全赞同道尔顿的见解。为此，他在一端封闭的试管里装上氯水的结晶体，然后把试管的另一端放在一个大水杯里，水杯下面用火加热，结果试管里升起了一缕缕黄绿色的气体。
就在此时，顺路来实验室探望法拉第的帕里斯教授，双眼却盯着试管说，这试管不干净，因为在它的上端有几个黄色油斑。这对一贯以整洁和工作有条不紊著称的法拉第来说，简直是不可思议的。于是他用钢锉在试管上端有油渍的地方锉了两道痕，敲破后立即有一股刺鼻的氯气味直冲而出。此时，“奇迹”发生了：原来有油渍的试管壁，变得干干净净！
法拉第很快悟出了其中的道理。固态氯加热后会分解出氯气，由于实验是在试管密封状态下进行的，因而氯气的压强就很大。但试管的另一端是冷的，高压和低温使氯气液化，并沾附在试管壁上形成“油渍”。敲破试管，液态氯立即由于减压而气化“消失”了。
于是，法拉第和其他科学家一起，用这种加压和降温的方法，液化了氨、二氧化硫等多种气体。但是，氧、氮、氢、一氧化碳、一氧化氮和甲烷这6种气体，即使加压到标准大气压的3000倍，温度降低到-110℃，也不能使它们液化。
这个问题引起了俄国学者门捷列夫和英国物理学家安德鲁斯等人的注意。在进行了深入研究后，他们发现，每种物质都有一个特定的温度，在这个温度之上，无论怎样增大压强也不会液化，这个温度叫做“临界温度”。氯、氨、二氧化碳等气体由于临界温度较高，因而在室温下，只要适当增加压强就可液化，而那6种气体临界温度却低得多。直到19世纪末，低温技术有了新的发展后，人们才有幸见识到了它们液化的形态。需要特别指出的，最难液化且最具有科研和技术创新价值的是6种气体以外的另一种气体——氦……“揪”出空气中的氦
氦，最初被认为是属于太阳上的某个未知元素（Helium，希腊文“太阳”之意）。1895年，英国化学家拉姆赛和瑞典化学家兰格列分别从钇铀矿中分离出了氦。
能不能在空气中找到氦呢？拉姆赛工作的头两步——除去空气中的氧气和氮气是比较容易的，只要让空气先后通过装有赤热铜屑和装有赤热镁屑的磁管，生成氧化铜和氮化镁，剩下的就是他和另一位科学家瑞利发现的氩气了。由于已经证明氦的化学性质很不活泼，因而空气中如果有氦，必然与氩混在一起。
拉姆赛从“利用酒精和水的沸点不同把这两种液体分离”的方法中受到启示，决定也用同样的方法把空气中的氩气和氦气分开。首先他必须把空气冷却到-192℃，使空气像酒精和水那样，变成液体。但在当时，这可不是一件容易办到的事。幸运的是，德国的林德和英国的汉普松这两位科学家发明的制冷机帮了拉姆赛的大忙。其操作程序是：把空气送进机器，强力的泵将空气压缩在细管子里，然后让压缩的空气通过一个小孔，喷进细管子外面的空室，让它迅速膨胀变冷。用这变冷了的空气来冷却细管子里后进来的压缩空气。这部分冷却过的压缩空气膨胀后就变得更冷。这样第二批冷却第三批，第三批冷却第四批，如此循环往复，空气就会变得越来越冷，直至温度下降到-192℃。这时候，空气就变成液体了。当同住伦敦的汉普松得知拉姆赛的急需后，立即送来了保温在杜瓦瓶中的750立方厘米的液态空气。
卡尔·冯·林德发明的制冷机
但是，当拉姆赛把小橡皮球、水银、面包等放进液态空气中做实验，并让氧气和氮气蒸发掉，剩下大约10立方厘米时，只发现了氩，而并无氦的踪迹。
拉姆赛并未动摇自己的信念。几天后，当汉普松又送来幾公升液态空气时，他和助手特莱凡斯设计了新的实验：把一段球形的玻璃管，浸在装有液态空气的杜瓦瓶里，然后将从空气中提取积累的15升氩气，慢慢送进玻璃管里。在液态空气温度下，氩气变成了液体。最后，他们关闭了玻璃管上的活塞。几分钟后，助手把玻璃管中未液化的气体抽了出来，进行光谱分析，除了一种叫“氖”的橙红色谱线外，果然在特定位置发现了那条黄线——氦的谱线。
但是，尽管拉姆赛和特莱凡斯又蒸馏了大量的液态空气，但却始终无法把氖气和氦气分开。这是因为在液态空气温度下，它们都不会液化，这就需要用到液态氢了。液态氢的沸点（-253℃）比液态空气的沸点（-192℃）要低得多。于是，特莱凡斯自力更生，制成了一台生产液态氢的机器。结果，氖气不仅液化，而且立即凝结成了固体。而氦却仍旧是气体……进入超低温奇境
1908年7月，荷兰莱顿大学低温实验室主任海克·卡末林·昂内斯把氦气压缩并冷却到液态氢的温度，然后让它膨胀，使温度进一步下降至-269℃，氦气终于变成液体。这是地球上最后一种未被液化的气体，首次变为320立方厘米的液体。这种液体就像打开了瓶子的汽水那样，不断飞溅着小气泡。
1919年，海克·卡末林·昂内斯（右）在低温实验室
物理学上，把-273.15℃称为绝对零度，用K表示。昂内斯由于在接近绝对零度时液化了氦，因而获得了“绝对零度先生”的美誉。但是他并不满足，又雄心勃勃地向“固态氦”进军。尽管他最终未获成功，但却得到了一个意外的收获。
对一般液体来说，随着温度降低，密度会逐渐增加。一开始，液态氦遵循着这个规律。但是，当温度下降至-271℃时，怪事出现了：液态氦突然起泡，变得像水晶一样透明，一动也不动，好像一潭死水，而它的密度却突然减少了。显然，这是另一种液态氦。昂内斯把前一种冒泡的液态氦，命名为氦Ⅰ;而把后一种静止的液态氦，命名为氦Ⅱ。
昂内斯把一个小玻璃杯放置在氦Ⅱ中。玻璃杯本是空的，但是过了一会儿，杯底就出现了液态氦，慢慢地会涨到跟杯子外面的液态氦齐平为止。然后，他把这个盛着液态氦的小玻璃杯提出来，挂在半空。瞧！玻璃杯外的底下出现了液态氦，一滴、两滴、三滴……不一会，杯中的液态氦就“漏”光了。是玻璃杯漏了吗？当然不是！原来，氦Ⅱ是能够倒流的，它会沿着玻璃杯壁流进去，也能流出来。这种“怪现象”叫做“超流动性”，但这种现象只有在超低温世界才会发生，具有超流动性的氦Ⅱ也因此被叫做“超流体”。
后来，许多科学家研究了这种怪现象，又有了不少新发现。其中最有趣的要属“氦Ⅱ喷泉”实验。首先在一根玻璃管里装上很细的金刚砂，在玻璃管上端接出来一根细的喷嘴。然后，将玻璃管浸在氦Ⅱ中，用光照射玻璃管下部，细喷嘴就会变成“氦Ⅱ喷泉”，光照越强氦Ⅱ喷得越高，可以达到数厘米。这也是超流体的一种特殊性质——把光能直接转变为了机械能。
更为奇妙的是，在液态氦的温度下，水银的电阻竟“消失”了。最初，昂内斯以为仪器出了毛病，后来用其他没有降温的材料测试，证明仪器工作正常。不久，他又发现铅和锡也具有这种性质。之后，更多的金属和化合物也被发現具有“超导电性”，具有这种性质的材料也因此被命名为“超导材料”。到了1933年，荷兰两位物理学家迈斯纳和奥森费尔德进一步发现，超导材料在超低温下，还具有“完全抗磁性”。有人做了一个实验：把一块磁铁放进一只锡碗，然后逐渐冷却，当温度接近-273℃时，磁铁忽然从碗底飘了起来。这是由于磁铁的磁力线本来是可以通过锡碗的，但此时锡碗由于超低温而产生了完全抗磁性，阻挡磁力线的通过，磁铁只能悬浮了起来……
昂内斯由于对低温状态下物质特性和氦的液化作出的杰出贡献，荣获1913年的诺贝尔物理学奖。
（未完待续）
