奇妙的超导和超流

（1）卡末林—昂内斯发现超导的故事

1879年，后来被称为“绝对零度先生”的荷兰物理学家卡末林—昂内斯（H. Kamerlingh-Onnes，1853—1926）因论文《地球旋转的新证明》获荷兰格罗宁根大学第一个物理学博士学位。1882年，29岁的昂内斯被任命为莱顿大学的物理教授和莱顿大学实验室主任。当时，物理学正处于一个即将向现代物理转变的时代，人们对物理实验的重要性有了新的认识。年轻的昂内斯充分认识到这一点，所以他的就职演说题目是《定量测量在物理学中的重要性》，他指出：

 

物理学能创造出获得新的物质的手段，并且对我们的实验哲学思维有着巨大的影响，但只有当物理学通过测量和实验去夺取新的疆土时，它才会在我们今天社会的思维和工作中占有重要的地位。

 

他还说：

 

我喜欢将“知识来自测量”作为座右铭，写在每个物理实验室的入口处。

 

昂内斯不仅这么认识和这么说，而且在任职之后立即将他的信念付诸行动。他颇有远见地把实验室全部研究项目都集中到低温方面。虽然洛伦兹认为在低温方面研究不出什么新的奇迹来，并劝告昂内斯不要把精力过于集中于低温方面，但昂内斯的看法不同。他不仅集中精力研究低温，而且颇有战略眼光地将莱顿物理实验室建成一个能够大量生产液化氢气和其他气体的工厂，使物理实验第一次由手工作坊式的操作，转向了具有工业规模的研究场地。由于其设备复杂，到处是管道和泵，埃伦菲斯特开玩笑地说：这个实验室简直成了“啤酒厂”。

昂内斯（中间穿白大褂者）和他的同事在莱顿大学低温实验室里。

1908年7月10日，在昂内斯的顽强努力下，人类终于第一次在实验室里，将最后一个“永久气体”（氦气）被液化。人们曾经认为，所谓“永久气体”（Permanent gas）是永远也不能液化的气体。昂内斯后来曾经激动地回忆说：“当我第一次看到似乎是幻想的液氦时，真是犹如奇迹降临。”

这一实验的成功，不仅有力地支持了分子运动论，而且使人类获得了一个新的低温：4K左右。以后，他又试图利用减压降温法使液氦固化。此举虽未获成功，但通过这方法，他在1910年获得1.04 K的低温，1920年又获0.83K的低温。他的巨大成功，使人类向绝对零度的进军迈出了关键性的步子。

获得更低的低温，这并非物理学家追求的唯一目的，人们还热衷于研究在极低的温度下，物质的性质是否有什么改变。当时人们最关心的是，金属的电阻率在新的低温区会有什么改变。

1911年2月，昂内斯根据量子理论提出了一个修正了的电阻理论，这个理论预言纯金属电阻在绝对零度就会减小到零。为了检验自己的理论是否正确，昂内斯决定用水银进行测量，因为水银是当时能够达到最高纯度的金属。1911年4月的一天，他让他的助手霍尔斯特（G. Holst）进行这项实验。霍尔斯特在实验中发现，当温度降到4. 2 K以下时，电阻突然消失了，这使他大为惊讶。昂内斯大约不会感到过分惊讶，因为这一实验结果似乎证实了他的理论的预言。

4月28日，昂内斯宣布了这一发现。5月29日，他将进一步实验得到的结果在第二篇论文《汞电阻的消失》中发表了。这一次，他大约有点吃惊了，因为测量发现，汞电阻的急剧下降要比他的（量子）理论所预言的快得多，“在氢的熔点和氦的沸点之间”，亦即在比他原来设想的温度高许多的地方，电阻就急剧下降。

同年11月25日，他做了题为《水银电阻消失速度的突变》的报告，明确给出水银电阻随温度变化的曲线，他在报告中指出：

 

测量表明，从氢的熔点到氦的沸点附近，曲线显示出的电阻下降速度，与通常情形一样，是逐渐改变的。……在略高与略低于沸点处，即从4.29K到4.21K之间也可清楚看出，电阻有同样的逐渐变化的趋势。但是在4.21K与4.19K之间，电阻却减小得极快，并在4.19K处完全消失。

 

12月30日，这个报告以论文形式发表了。突然转变时的温度被称为“临界温度”（critical temperature）。

在这一阶段（即所谓昂内斯发现超导电性的“三部曲”之初），他还没有看出他的发现的普遍性，仅仅把它当作纯质水银中发生的特殊现象。直到1913年9月，这时他虽然已经进一步发现不纯的汞“电阻消失的方式和纯汞一样”（这又一次使昂内斯大吃一惊，因为它进一步否定了他的电阻理论），并发现通过超导体的电流强度越大，超导转变临界温度就越低，他甚至还说：“汞进入了一个新态，根据它特别的电性质，可以称之为超导态”，这是他第一次使用“超导电性”（superconductivity）这个词；但他仍然不清楚：超导态是物质的一种普遍性质，还是只有汞才具有的一种特性。当时他引入这个词仅仅是为了讲述的方便，还没有意识到这是一个崭新的物理学概念。此后这个概念不仅继续发展和充实，而且超导性之谜困惑了物理学家整整一个世纪，直到21世纪仍然有许多谜没有解开。

1913年，昂内斯“因为对低温下物质性质的研究，特别是液态氦的制备”获得诺贝尔物理学奖。瑞典皇家科学院院长诺德斯特诺姆在颁奖辞中特别指出昂内斯的发现在理论和实验上的双重重要性：

 

这些低温研究的成就对于物理学来说是极为重要的，因为在低温下，不但物质的性质而且物理现象的过程，一般来说都与常温和高温时有着显著的差别。这些知识对于解决现代物理学中的许多问题有着十分重要的价值。

我在这里只讲一点。气体热力学中的许多原理转变成所谓的电子论，它成了物理学中解释电、磁、光和许多热现象的指导性原理。

这样得出的一些定律看来也被常温和高温条件下的测量所证实。然而在低温下，尤其是在非常低的温度下，情况就不同了，这已经被昂内斯的液氦温度下导体电阻的实验所证明，也被能斯特和他的学生所做的在液态气体温度下与比热有关的测量所证明。

人们愈来愈清楚，有必要对整个电子论进行修正。这方面的理论工作已经有许多研究工作者在做了，特别是普朗克和爱因斯坦。

与此同时，这些研究工作必须找到新的支持。这些支持只能是在低温下，特别是在液氦温度下对物质性质持续进行实验研究才能得到，因为这最适于说明电子世界的现象。昂内斯的功绩在于他创造了在液氦温度下进行实验的可能性，开辟了对于物理学有着重大意义的极为重要的领域。

由于昂内斯的工作对于物理学研究十分重要，因此皇家科学院有充足的理由授予他1913年的诺贝尔物理学奖。

 

昂内斯在他的诺贝尔演讲中，谈的绝大部分是低温技术，而对于超导的物理机制他仍处于迷茫状态，所以他说：“与其让自己陷入如何用量子论来解释超导现象，我宁愿用超导去研究一个实验问题。根据一般电子论，人们发现在常温下电子的自由程大约是分子的大小，而在超导状态下可达一米。”

图（18—6）迈斯纳效应示意图：当导体（左）进入超导态（右）以后，磁力线受到排斥而不能进入超导体内。

这种把超导看成是自由程（free path）的变化，而不看成是一种相变（phase transition）的过程，直到1933年才彻底改变。昂内斯非常注意实验测量，但是对于理论实在不太关注，所以他不仅没有关注超导的机制，也因此失去发现超导另一个极其重要的效应“迈斯纳效应”（Meissner effect）的机会。

昂内斯和许多物理学家一直认为零电阻是超导最基本的性质，而对于超导体的磁性质却严重认识不足。直到1933年，德国物理学家迈斯纳（Walter Fritz Meissner，1882—1974）和奥克森菲尔德（R. Ochsenfeld）在柏林宣布他们的发现：当物质进入超导态以后，超导体内部的磁场不仅保持不变，而且实际上等于零。超导体仿佛是一个理想的抗磁体，几乎把所有磁场排斥在外，不让它们进入（见示意图）。后来，物理学界把超导体的这种完全抗磁性效应称为迈斯纳效应。迈斯纳效应可以用实验显示出来：把一个小小的磁体放在一个圆盘形超导体上面，由于完全抗磁性，小磁体就会浮悬在超导体上方，如图所示。

小磁体悬浮在超导体上面。

迈斯纳效应是一种量子力学才能描述的行为，通常认为量子行为是微观世界的行为，不可能在宏观尺度上看到，但是，迈斯纳效应却使我们可以在宏观尺度上看到量子现象。这是一个了不起的发现，但是迈斯纳没有因为他的这一发现获得诺贝尔物理学奖，实在不公。他的这一发现绝对不比任何诺贝尔奖获得者的贡献小。

 

（2）BCS理论的提出和受到广泛的质疑

超导现象于1911年发现以后，物理学家都急于找到一种物理学机制来解释这种神奇美妙的现象。在量子力学逐渐得到多数物理学家承认以后，物理学家们在多年摸索后意识到，要理解超导现象，必须要用到量子力学的基本原理。但这又谈何容易，事实上直到1957年3月，在美国费城召开的美国物理年会上宣读了BCS超导理论论文以后，超导的物理机制之谜才得以解开。

美国物理学家巴丁（中间）、库珀（右）和施里弗三人，分别对应BCS超导理论中的B、C和S。

BCS超导理论中的BCS是三位美国物理学家名字第一个字母的缩写。B是约翰·巴丁（John Bardeen，1908—1991），C是利昂·库珀（Leon Neil Cooper，1930— ），S是约翰·斯里弗（John Robert Schrieffer，1931— ），在宣读BCS理论论文时，他们都是在美国伊利诺伊大学任教。下面我简单介绍一下这个理论大致上的机理。

超导体的第一大特征是在临界温度以下，金属的电阻为零。由金属电子理论我们知道，导体中的电流是电子向一个方向流动的结果，而电阻的产生是电子无序运动与电子定向运动碰撞所引起。对于传统的导体，金属电子理论与实验结果符合得很好。但是对于超导体，传统理论完全不能适用，必须用量子力学理论另寻出路。

导体电阻为零，意味着电子无序运动终止，这也就是说电子无序运动的能量为零。但由量子力学来看，电子是费米子，即使在绝对零度也仍然存在无序运动，因此不可能有零电阻。

为什么这么说呢？物理学家根据粒子的自旋不同，把微观世界的粒子分成两大类：一类是费米子，一类是玻色子。费米子是构成物质的粒子，如电子、质子、中子、介子等，费米子的自旋都是自旋单位（h/2π）的半整数倍，如1/2、3/2等，必须遵守泡利不相容原理；玻色子是构成场的规范粒子，传递相互作用的，如光子、W±粒子、Z0粒子和胶子，它们的自旋都是自旋单位的整数倍，如0、1、2等，而且它们不遵守泡利不相容原理。

费米子因为要遵守泡利不相容原理，因此不允许有两个费米子处于同一量子态。根据玻尔理论，原子里有能级的量子系统，像一级一级的台阶，因此即使处于绝对零度（对应能量为零），金属中的电子（因为是费米子）也不能都挤在能量为零的基态上，基态上最多只能有两个（自旋相反的）电子，其余的则依能级台阶一个一个地往上填。打个譬喻，在集体婚礼上，一个位置只能站一对夫妇，不能所有新婚夫妇都挤在一起，只能一对一对地往后排站。有人曾因此戏称不相容原理为微观世界的婚姻法，把泡利本人称为微观世界的主婚人。

玻色子不遵守不相容原理，因此它与费米子不一样，可以全体都挤在同一个量子态里，这种状态被称为“玻色—爱因斯坦凝聚”2。正因为如此，玻色子在绝对零度时可以都挤到零能量基态上。

由以上量子力学理论可知，金属中的电子不可能有零电阻状态的出现，也就是不可能出现超导电性。要想出现超导电性，必须先得让导电粒子电子变成玻色子。

这下可难住了众多物理学家：电子怎么能够变成玻色子？这岂不是天方夜谭？由此我们可以理解为什么昂内斯说“与其让自己陷入如何用量子论来解释超导现象，我宁愿用超导去研究一个实验问题”。用量子力学理论解释超导现象实在太难了，但舍此没有其他道路可走，这真是“自古华山一条路”！量子力学在其他领域（例如粒子物理学）捷报频传，难道就只有超导态无法用量子力学解释？这一步必须迈出去。

 

（3）BCS三杰尽显英雄本色

伊利诺伊大学物理系教授巴丁在结束了半导体研究之后，在1950年开始对超导的物理机制十分关注。但巴丁对量子场论不太精通，而当时研究超导都由量子场论入手。1955年春，巴丁打电话给当时在普林斯顿高等研究院的杨振宁教授，说他想找一个“精通场论并愿意从事超导性研究的人”，请杨教授推荐合适的人选。杨振宁推荐当时在研究院做了一年博士后的库珀，认为库珀在“使用最新和最流行的理论技巧方面”走在最前沿。当巴丁与库珀会面时，年轻的库珀说他对于超导一无所知，巴丁说：“这无关紧要，我会教给你一切。我需要的是熟悉当前场论方法的物理学家。”库珀告诉巴丁：“我对场论解释超导性的作用表示怀疑。”因此他对于巴丁的邀请犹豫不决，直到夏天他才决定到伊利诺伊大学从事超导研究，并在巴丁的帮助下，很快熟悉了超导研究中所存在的问题。一旦进入了状态，这位身材瘦小、头发乌黑、像个东方人的库珀很快发现，超导研究“其实是一个非常简单的问题，通过基本量子力学就可以解决。何必大动干戈？”

这位被巴丁戏称为“东方来的量子力学家”果然了得，在1956年2月底到3月，库珀果断地迈出了第一步，破天荒地提出用“库珀电子对”（Cooper electronic pair，简称库珀对：Cooper pair）使电子这个费米子变成了玻色子。这简直像一个魔术师大变活人一样，让大家惊愕万分。

库珀的设想是如果两个动量相反、自旋也相反的电子搭配成一对，形成一种束缚态，那么这个束缚态的电子对的自旋为零、动量也为零，就成了一个玻色子，因而可以具有零点能。但是，电子对之间有电排斥力，如何形成束缚态呢？只有相互有吸引力的粒子才可能形成束缚态，这是很基本的常识。库珀当然不会不知道这一点。后来，库珀又利用固体理论中的晶格理论（lattice theory），将这一困结解开。

图（18—7）铜的晶体结构示意图，自由电子在晶格中运动。

在常温下，导体内的电子运动到晶格离子附近，因为受到晶格离子的散射作用而产生电阻。但是，在低温下情形有了变化。库珀认为，在极低温时导体内的电子运动到晶格离子附近，由于异号电荷的库仑力吸引邻近的晶格正离子，使晶格离子稍稍靠拢过来，在很小的局部范围里正电荷相对集中。由于正离子偏离平衡位置产生晶格振动，并以波的形式在晶格中传播，这种波叫格波（lattice wave），并波及第二个电子。在超导情形下，这种格波的影响力超过了电子间相互排斥的作用力时，两个电子间就会出现相互吸引，成为电子对。库珀认为，这种电子—晶格相互作用就是低温下引起超导电性的根本原因。在BCS理论中，最重要的是库珀提出的电子对概念，它为超导态建立了一个正确的物理图像，并成为现代超导理论的基础。

库珀的这一概念提出来以后，当时还是巴丁的博士研究生的施里弗说：“库珀非常兴奋……因为（电子对）确实存在。”库珀后来在他写的《超导理论的起源》（Origins of The Theory of Superconductivity，1987）一书中回忆说：“这些东西让我感到非常兴奋。但是我同时也痛苦地意识到，在今后的几个月里，还有许多事情要做。”

但库珀的“痛苦”恐怕还不止这些，更让他痛苦和不安的是他认为巴丁忽视了他的重要发现。在2000年的回忆中他说，到伊利诺伊大学后，“在一年中处于无人理睬的境地”，虽然他竭力说服巴丁，说电子对是解决超导性的关键，但库珀却感到：“这里根本没有人认识我这个狂妄的小子……而我坚持说那是解决的根本办法。”他还说：“我经历了一个艰难的时期，巴丁以为我的脑子出了问题。……巴丁没有理解我在做什么事情。”

但巴丁并不是没有意识到电子对的重要性，他只是不想让年轻人的激情使他们忽略了今后道路的艰巨性，还有大量困难的问题等待他们去解决。他要使BCS成为一个真正有创造能力的学术小分队。电子对的提出，只是建立超导电性量子理论的第一步。库珀解决的只是两个电子间配对的问题，真正要解决导体中那么多电子配对问题，还有许多巨大的困难。就算每一个原子只有一个电子被电离出去成为自由电子，1摩尔物质中原子、电子的数量之多可想而知。如何处理这么多电子的配对问题？还有，在什么状态下电子之间产生最大的吸引力？如何具体计算电子和晶格的相互作用？

由于BCS三人通力分工合作，这些棘手的问题被一一解决。第二次重大的突破出现在1957年的1月底和2月初。这期间，施里弗和库珀在东海岸参加两个学术会议，施里弗经常乘公共交通工具在两个会议地往返。有一天在纽约赫德森地铁上，艰苦思考多时的思路突然打开，施里弗迅速在笔记本上写出了超导体基态的波函数。当天晚上，他在一个朋友家借宿时，进一步研究了这个波函数，“只花了几个小时”他就算出，基态能量“在能量的指数级别上较低”，因此符合稳定态的条件。

库珀知道施里弗的发现后，大受鼓舞。库珀在2000年回忆中说：

 

我立刻意识到我们可以用这个奇妙的、一流的微妙公式来进行运算。从根本上说，这个公式不会让你觉得麻烦。你只需要把一对电子放在一起，这样它们就可以满足泡利原理。

 

第二天，施里弗把这个消息告诉了巴丁。巴丁立即让他们两人一起写一篇有关超导性的论文；接着库珀和施里弗立即投入计算中，没日没夜地计算了6个月。他们这样赶时间是因为加州理工学院的费曼也在加劲研究超导性问题。

为了节省时间，巴丁为他们三人各自分配了任务，他自己的任务是研究超导体的传输和非平衡性质。库珀说，这6个月是他们“最充满激情的也是难以置信的成果期”。

在大功告成前的2月15日，他们把BCS理论已经取得的成果寄给了《物理评论》；3月在美国物理学年会上再次宣布了BCS理论。值得一提的是，巴丁没有参加这次会议，他要把荣誉让给年轻人。施里弗说，这是转让荣誉的“杰出范例”。

BCS理论公开后，大多数研究超导性的实验物理学家对它非常欢迎，积极用实验来检验新的理论。但理论物理学家却有不少人不能接受。例如玻尔在1958年5月还对访问哥本哈根的施里弗说：“这个（BCS）理论不可能是真的，我不相信。这是一个有趣的想法，但在本质上是不可能那么简单的。”

施里弗见玻尔这位量子力学开拓者、先驱者都坚决反对，不免有些泄气，他写信给库珀说：“不幸的是玻尔认为我们的理论是不正确的。”还写道：“结果太简单了，不可能是答案。”

库珀到底是在普林斯顿高等研究院见过世面的，立即给施里弗回了信，内容简单扼要：“玻尔并不清楚他自己在说些什么。”

巴丁（左）、库珀（中）和施里弗在诺贝尔奖颁奖仪式上。

其实玻尔的全盘否定虽然不对，但他的评论却也击中了BCS理论存在的弱点。但随着BCS理论的进一步完善和实验不断地证实，BCS理论最终被物理学界视为重要理论之一，并被视为量子力学最重要的胜利之一。

1972年，巴丁、库珀和施里弗三人“因共同提出超导性的BCS理论”而共享当年诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖委员会盛赞他们说：

……珠穆朗玛峰只有一小部分热心攀登者才能到达。巴丁、库珀和施里弗三人在前人的基础上，终于成功地到达了这一顶峰……现在，来自顶峰的那无限美好的景色终于展现在你们眼前。

 

特别应该指出的是，巴丁在1956年“因研制出世界上第一个晶体三极管”，与肖克莱、布拉顿一同获得过诺贝尔物理学奖。他是第一个两次获得同一学科诺贝尔科学奖的人。

16-22：超导体有广泛的应用前景。图为磁浮列车实验装置。

细心的读者看到这儿也许心中有一个疑问：有了BCS理论，超导性之谜不就解开了吗，怎么本章第一节说超导性之谜还有许多至今尚未解开呢？

本来多数物理学家的确以为BCS理论彻底解开了超导性之谜，但“高温超导性”发现之后，BCS理论就面临另一困境。所谓“高温超导性”所说的“高温”是对绝对零度以上几十度的温度而言，如70K、100K，它们相对于日常生活来说仍然是可怕的低温（零下100多摄氏度！），但相对于绝对零度却可以算是“高温”了。

20世纪60年代以后，物理学家们开始研究氧化物超导体，希望能够提高临界温度Tc。1986年1月，德国物理学家贝德诺尔茨（J. G. Bednorz，1950— ）和瑞典物理学家米勒（Karl A. Muller，1927— ）终于取得了突破性进展，他们以钡、镧和铜的硝酸盐制成的样品取得Tc = 35K的超导性。他们二人很快于第二年获得诺贝尔物理学奖。

由于米勒和贝德诺尔茨的开创性贡献，导致全世界范围内探索高温超导的热潮，超导物理学的研究跨入了一个新的历史发展时期。1986年12月15日，Tc提高到40.2K，12月30日，又提高到52.5K，1987年提高到92K……到1993年，瑞士苏黎世ETH实验室席林（A. Schilling）制出了Hg-Ba-Ca-Cu-O超导体，其Tc=133.8K，这比昂内斯提高了130多度，也是迄今为止得到的Tc最高的高温超导体。科学家们还在不断探索，最终理想是把超导体的临界温度提高到室温，这样，超导体的应用将会彻底改变我们这个世界。超导发电机、超导磁浮列车、超导对撞机……将不会再因为低温制备的高昂费用造成阻障而无法广泛应用。

但是，高温超导体也给人们带来了新的困惑。虽然高温超导体与传统超导体有相同的性质，如零电阻、迈斯纳效应等，但它却不是传统的超导体。BCS理论是正确解释传统超导体导电性的理论，但却不能解释高温超导体。虽然已经提出了好几个超导体机制模型，如美国物理学家斯卡拉皮诺（Douglas J. Scalapino）和平斯（David Pines）提出自旋波模型（spin wave model）等，但距离全面解释高温超导体的各种性质尚相去很远。物理学家还需要进一步努力探索，才能大功告成。

（4）超流和卡皮查

在获得超导性的低温下还有一个奇妙的宏观量子现象是超流（superfluid），它和超导一样是物质在极低温时呈现的一种特殊性质。超导和超流有共同的起因，解释它们的理论也有共同之处，所以人们常说它们是量子力学中的两朵奇葩。超流的发现最先要追溯到昂内斯。

1911年，当昂内斯把液氦的温度降到2.2K附近时，伴随冷却过程的激烈沸腾现象突然停了下来，液氦表面一片宁静。进一步降温时，出现了反常膨胀，即体积不但不减小，反而增大。昂内斯肯定发现了这种反常现象，但他因为要集中精力研究超导现象，就没有研究这一反常现象。直到30年后的1941年，才由苏联物理学家卡皮查（P. L. Kapitza，1894—1984，1978年获得诺贝尔物理学奖）和朗道（L. D. Landau，1908—1968，1962年获得诺贝尔物理学奖）发现并在理论上解释了这种被卡皮查称为“超流”的奇特现象。

这张照片显示液氦如何爬上容器的壁，流过壁的顶端，再沿着容器的外壁往下流，最后在底部形成一个液滴。

在卡皮查做出重大发现前的1936年至1938年的两年时间里，对液氦的研究取得了实验上的进展，在温度低于2.2K时，氦具有惊人的特性。例如，它能反抗重力往上流动，因此可以从容器内部沿器壁爬到顶端越过壁端到容器外边，这被称为“爬壁”现象。与“爬壁”类似的是氦还有“喷泉”效应（fountain effect），即在氦中插入一根细玻璃管，氦在管内液面会比外面高，当玻璃管足够细时，特别是在玻璃管中加入一些细钢砂之类的粉末，氦可以由细管里喷出，像公园的喷泉一样。

超流形成的喷泉效应。

此后超流的研究有很多著名科学家如伦敦（Fritz London）、费曼等参与，但取得最重要成就的是苏联的两位物理学家卡皮查和朗道。下面简单介绍他们两位的生平和贡献。

1894年7月8日，卡皮查出生于俄罗斯圣彼得堡附近的喀琅施塔得。1912年考入圣彼得堡工学院电机系。由于成绩优异，颇受“苏联物理学之父”约飞的重视，毕业后留校任教，同时在彼得堡物理技术研究所从事研究工作。

1921年，卡皮查遭遇生活中的巨大不幸，他的父亲、妻子和两个孩子由于饥荒和流感，都相继死亡，一时他处于极度苦闷之中。约飞爱才，就让他去英国参观访问，想以此减轻他的痛苦。哪知这一去，彻底改变了他的生活道路。

卡皮查参观了卡文迪什实验室以后，很希望留在卢瑟福主持的卡文迪什实验室工作一段时间。可是卢瑟福说实验室已经满员，没有空额了。于是出现了一个有趣的故事。卡皮查问卢瑟福：“您做的实验有多大的误差？”

卢瑟福回答：“有2％～3％。”

卡皮查说：“那好，您的实验室大约有30个人，再增加我一个，也超不出您的误差范围。”

这个机智的回答打动了卢瑟福，于是他接受了卡皮查。本来计划只让卡皮查在剑桥工作半年，结果却工作了13年。卡皮查到剑桥后不久就做出了很好的工作，越来越得到卢瑟福的器重，成了卢瑟福最亲密的助手之一。他与卢瑟福的关系也非同一般，可以比较随便地和卢瑟福开玩笑，甚至还胆敢给卢瑟福起了一个绰号“鳄鱼”。

1923年，卡皮查获得了博士学位以后，碰到了卢瑟福。卡皮查故意以生硬的口气问：“卢瑟福教授，您是否发现，我看上去要比以前聪明一些？”

卢瑟福对卡皮查奇特的问话产生了兴趣：“你为什么要看上去比以前聪明了一些？”

“我刚刚变成了博士。”卡皮查回答说。

卢瑟福立刻表示祝贺，连声说：“好，好，你看上去的确比以前聪明多了，再加你刚刚理过发。”说完，他放声大笑起来。

在“鳄鱼”面前如此放肆，通常是很危险的，他会马上叫你难堪。但卡皮查似乎是整个卡文迪什实验室唯一敢向他开玩笑的人。卡皮查曾有好多次开这样放肆的玩笑，每逢这时，卢瑟福总是先一怔，随之呵斥道：“你这傻瓜！”“你这笨蛋！”其中不无赞赏的味道。这说明他们师生感情非同一般。

实验室其他同事们对卡皮查的小调皮何以常常奏效，实在是百思不得其解。而卡皮查对他妈妈说：“当我看到‘鳄鱼’张口结舌，一时说不出话时，觉得实在有趣极了。”

卢瑟福专门为卡皮查建立的蒙德实验室，门外墙上有一条鳄鱼画像。据说鳄鱼指的就是卢瑟福。只有卡皮查敢和卢瑟福开这样的玩笑而不使卢瑟福生气。

在一次用餐时，卡皮查与卢瑟福同桌。这时，卡皮查刚看完一本书《天才与疯癫》，于是卡皮查对另一位同桌的人讲：每一位大科学家或多或少沾一点疯气。不料卢瑟福听见了，就问他：“依你看，我也疯吗？”

“是的，教授。”

“你怎么样证明这一点呢？”

卡皮查兴致来了，回答道：“很简单，也许您还记得几天前您对我讲起您收到一封美国来信，是一家美国大公司寄来的。这家公司答应给您在美国建一个大型实验室，并付给您优厚的薪水。但您只嘲笑他们的好意，却没有认真考虑这个建议。从一个普通人的观点出发，您的行为就好像是一个疯子。我想，您会同意我的分析吧？”

卢瑟福大声笑起来，说：“不论怎么说，你也是正确的。”

1929年，卡皮查开始研究低温，并被选为英国皇家学会会员。这年皇家学会在卢瑟福的大力倡议和支持下，从百万富翁和化学家蒙德（R. Mond）的遗产中拨出一笔钱为卡皮查建立了一个专门实验室——蒙德实验室，并成立了英国皇家学会蒙德研究所，卡皮查任第一任所长（1930 —1934）。卡皮查在实验室大门的左边用一条鳄鱼雕塑作为研究所的标志。

1934年，卡皮查在蒙德实验室制成一台应用膨胀机的氦液化器，此后这种液化器成为全世界研究低温物理的必备仪器，大大促进了世界范围内的低温物理学研究。这一年他回国探亲，苏联政府留他在苏联研究，并让他担任苏联科学院物理研究所所长，这是一个独立而自洽的研究单位。

苏联物理学家卡皮查，1978年获得诺贝尔物理学奖。

在苏联，卡皮查继续研究制取液氦的先进技术。1939年，他设计并建成第一台高效率的膨胀式涡轮机，使低压液化器成为可能。在研制液化器的同时，他没有放弃对低温物理学的孜孜追求。1937年，卡皮查发现了氦的超流动性。此前，昂内斯的学生基索姆于1935年在实验中证明：氦是已知热导体中的最佳热导体。这样就可以解释在冷却到2.2K时，液氦表面的沸腾为什么会突然中止，液面变得十分宁静：这是因为氦传热很快，不可能形成气泡所致。

1940年前后，卡皮查在略微改变的条件下重复了基索姆的实验，结果发现氦的热传导性比基索姆测定的还要高。卡皮查由此认为用热传导来解释沸腾突然中止的现象已不可能。卡皮查认为应该另找原因。他先是设想，液氦为什么会具有如此巨大的传输热量的能力（所以才没气泡）。其实这不是热传导性的问题，而是液氦很容易产生流动。通过计算后，他得出了出人意料的结果：液氦在极端低温下是一种有惊人流动性的液体，或者说是一种没有黏滞性的液体。计算表明，液氦的黏滞性约为已知物质中流动性最强的液氢的万分之一，液氦的流动性应当是水的10亿倍以上。

在这些实验的基础上，卡皮查得出了一个当时看来大胆的结论：液氦是一种没有黏滞性（即没有摩擦力）的液体。他把氦的这种性质称为“超流动性”，把氦称为“超流体”。

1941年，卡皮查在题为《论液氦的导热性和超流动性》（On the heat conductivity and the superfluidity of liquid helium）和《论液氦的超流动性》（On the superfluidity of liquid Helium）两文中，公开了自己的观点。

卡皮查的确是一位了不起的实验物理学家，但如何用量子物理学原理来解释超流动性，却非他所长。老天保佑，幸亏他在1939年把天才朗道从牢里救出来了！这其中的故事曲折而惊险。

 

（5）传奇人物朗道横空出世

朗道于1908年1月22日出生于苏联巴库（现为阿塞拜疆共和国首都）的一个知识分子家庭。

朗道是一位真正的天才，12岁高中毕业，没有一个大学愿意收这么小的学生，他只好等了两年在14岁时进入巴库大学，同时学习物理学和化学。后来才专攻物理学，但是对化学仍然终生喜爱。

1929年经苏联教育人民委员部批准，朗道出国一年多。这期间他参观了当时欧洲最大的理论物理中心柏林、莱比锡、哥廷根、哥本哈根、苏黎世、剑桥。与现代物理学创立者爱因斯坦、泡利、玻恩、狄拉克的交谈，给这位年轻物理学家留下了不可磨灭的印象，尤其是在哥本哈根与玻尔的相处，收获最大。1930年，朗道在国外完成了一篇研究金属电子抗磁性（朗道抗磁性）的论文，引起了理论物理学家们普遍的注意，这使他很快成为世界物理学界瞩目的人物。

天才有天才特殊的性格，他们一般为人都比较张扬，藐视权威、不拘常礼、说话随便、语言尖刻。朗道也不例外，据说朗道在哥本哈根的时候，常常表现出一种不可抑制的主动提问和追根究底的精神，能够迅速发现别人（包括玻尔）的错误和缺点。一旦发现，他就会毫不留情地当面尖锐地指出来。

苏联物理学家朗道，1962年获得诺贝尔物理学奖。

有一次在柏林听爱因斯坦演讲，那时爱因斯坦已经是世界闻名的大物理学家。当主持人请听众对演讲者提问时，朗道站起来说：

 

爱因斯坦告诉我们的东西，并不那么愚蠢，但是第二个方程不能从第一个方程中严格推出。它需要一个未经证明的假设，而且……

 

大家都惊愕地注视这位几乎是不知天高地厚的年轻人。爱因斯坦对着黑板思索了一会儿之后，说道：“后面的那位年轻人说得完全正确。诸位可以把我今天讲的完全忘掉！”

朗道这种很容易得罪人的作风如果在其他国家，最多导致个人冲突；但是在当时苏联这个极权国家里，再加上他是一个犹太人，他最终肯定会大倒其霉。1937年，朗道来到卡皮查的莫斯科理论物理研究所工作，任理论部主任，从此他的生活轨迹就与卡皮查交织在一起。1938年，在苏联肃反中，朗道果然栽了。这年4月28日，朗道以“德国间谍”的罪名被捕入狱。朗道入狱的真正原因，据1991年解密的克格勃档案，是朗道签署并参与起草了一份反斯大林的传单。卡皮查非常重视朗道的才能，立即展开营救。他凭借他在科学上的地位，当天就亲自上书斯大林：

 

斯大林同志：

我所科学家朗道在今天早晨被捕。他虽然只有29岁，但已是全苏联最重要的理论物理学家。……当然，一个人聪明才智再大，也不允许他违反我国的法律。朗道如果有罪的话，他理应受到惩处。不过我恳求您明察他的特殊才能，下令慎重审理他的案子。

另外，也请您注意到朗道性格上的缺点。他喜欢跟人争论，而且言辞犀利。他喜好挑别人的毛病——尤其是地位崇高的老人、科学院院士的毛病。一旦发现，就加以张扬嘲笑，这使他树敌甚多。他在我们所里也是个不易相处的人。不过加以提醒尚能改正。由于他的特殊才能，我常宽容他的行为。而且，我也不大相信朗道会有不忠诚的行为，尽管他有性格上的缺点。……

 

我们知道，“大清洗”是多么恐怖肃杀的运动，多少元帅、将军和高官都被“斩立决”，所以即使卡皮查写得如此委婉，也需要巨大的道德勇气。卡皮查也许不清楚朗道被捕的真实原因，但他深知朗道天才的价值。他在这封信里没有要求释放朗道，因为他知道这是根本做不到的。他只求不要立即处死朗道，拖一下时间再说。等了一年，克格勃换了新的头目贝利亚，他感到事态也许有了希望，于是在1939年4月，他又给当时苏联的第二号人物莫洛托夫写了一封信。信中很有策略地写道：“最近我在接近绝对零度时液氦的研究中发现了一些新现象，对这个现代物理学中最奥秘的领域可望有所进展……不过我需要理论家的帮助。在苏联，只有朗道一个人从事我所要求的这方面的理论研究，可惜，过去一年他一直在监狱里。”

在说明白了朗道的天才之后，他向莫洛托夫提出：“如果安全部门不能加快办案，能否像利用工程师囚犯那样，利用朗道的大脑来从事科学研究？”

贝利亚接替叶若夫掌管克格勃后，曾免除了一些被无辜关押的学者特别是航空工程师的死刑，在集中营内组织设计局，让他们从事专业工作，最后导致他们获释。例如著名的飞机设计师图波列夫，以及火箭总设计师科罗廖夫，都是用这种方法才虎口脱险，拣了一条命。得知这些信息后，卡皮查立即给贝利亚出具了担保信，以自己的身家性命为朗道提供担保。

在卡皮查这样大力营救下，朗道在被捕整一年后终于被保释出狱。出狱几个月后，朗道成功地完成了液氦超流动性的量子理论解释，铸就了朗道一生最卓越的贡献。

朗道不同意一些物理学家提出的“二流体理论”（two-fluid theory，即液氦在2.2K以下同时存在两种成分，一为超流体，一为正常流体）。朗道还预言在超流液氦中有两种不同的传播速度，一种是人们熟知的压力波，另一种是温度波。1944年，卡皮查的学生佩什科夫（W. P. Peshkov）用实验证实了朗道的这一预言，因而他的超流动性理论也被大家接受。

1962年1月7日发生了一起车祸，朗道头部受了重伤，57天处于昏迷状态。后来经过大力抢救，虽然命保住了，但他的智力却遗憾地始终没有恢复过来，致使他再也不能从事紧张而又极富成果的理论物理创造活动。新闻记者别萨拉布在《朗道生活之路》一书中记述了朗道最后几年的生活：

 

朗道院士遇到了不幸，但他有机会得知人们如何看重他的生命。他有四次处于临床死亡状态。为挽救朗道生命而奔忙的不仅有来自世界各地的最著名的专家，还有他的朋友、同事、门生和门生的门生。……结果，对朗道的抢救成了世界救护史上空前的事例。可惜的是，朗道的生命虽然得救，但他的创造才能却再也无法恢复。

 

诺贝尔奖委员会也许担心朗道因为去世而失去获得诺贝尔奖的机会，那不仅是朗道的损失，也是诺贝尔奖的损失，所以诺贝尔委员会赶在1962年连忙给朗道授奖。

朗道的传记《伟大的物理学家和教师》（莫斯科）

诺贝尔委员会颁给朗道诺贝尔物理学奖的原因是：“因为开创了凝聚体理论，特别是液氦的理论。”在颁奖典礼上瑞典皇家科学院院士沃勒教授致辞说：

 

在人们努力去实现解释液体性质时，一般的科学家遇到了难以克服的困难，而只有朗道的液氦理论是一个例外，因此这是一项伟大的意义深远的重要成果。

除了他在凝聚体，即固态、液态凝聚物质上的研究并因此荣获了诺贝尔奖之外，朗道对物理学的其他部分也做出了不寻常的重要贡献，特别是对量子场论和粒子物理，他以他的原始的思想和主要的研究，对我们时代的原子科学的发展有着深远的影响。

朗道教授令人遗憾地还没能从今年年初遭受的严重车祸中康复，因此他不能来这里接受诺贝尔奖。今天由在莫斯科的瑞典大使转交给他。我代表瑞典科学院衷心祝愿朗道教授身体早日康复。

 

1968年4月1日，在又一次手术后朗道离开了人世。他的临终遗言是：“我一生过得不坏，我万事如意。”

卡皮查幸亏长寿，在1978年他84岁的时候因为“在低温物理的基础研究方面做出重大贡献”获得了诺贝尔物理学奖。瑞典皇家科学院的哈尔逊教授致颁奖辞。颁奖辞中指出：

 

1934年卡皮查回到祖国，着手建立一个新的物理研究所。由于他在1938年发现液氦的超流动性震惊了物理界。这意味着在2.2 K以下液氦的内摩擦（黏滞性）消失，该温度称为氦的临界点。同样的发现分别由艾伦（Allen）和米塞纳（Misener）在蒙德实验室得到。随后卡尔查用一种逼真的方法继续进行这方面的研究，同时引导和鼓励年轻的合作者，他们当中有1962年获诺贝尔奖的朗道。他因建立凝聚物质的开创性理论，特别是液态氦理论而获奖。在卡皮查的成就中，还应提到的是他发明了产生很强磁场的方法。

卡皮查是我们这个时代最伟大的实验物理学家之一，在他的研究领域里是一位无与伦比的开拓者、领导人和大师。