為什麼導線會發熱
手機充電器插著用一會兒後摸上去是溫熱的。那點溫熱是被浪費掉的能量。在導線內部，攜帶電流的電子不斷撞上金屬中那些抖動的原子，被它們散射開來，每撞一次就交出一點點能量。這種對電流流動的頑固阻撓就叫做電阻，它表現為熱量。一種材料天生阻撓電流的傾向叫電阻率；它讓電流通過的難易程度叫電導率——這是同一件事從另一面來講。
在銅這樣的普通金屬裡，降溫會有一點幫助。金屬變冷時，原子抖得沒那麼厲害，電子撞上它們的次數就少了，電阻隨之下降。整整一個世紀裡，人人都以為規律很簡單：越冷電阻越低，到能想像到的最冷溫度，也許會剩下某個小小的殘值——但絕不會真正歸零。
通向極冷的競賽
要檢驗這條規律，你得真正冷下來——比任何冰櫃都冷得多，比月球的背陰面還冷。研究如何達到這種溫度的學問叫低溫學。1908 年，荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯做成了一件前人未做之事：他把氦氣變成了液體，而這只在比可能的最低溫度——物理學家所說的絕對零度——高出幾度時才會發生。液氦給了他一個足夠冷的浴槽，能把別的東西也冷到那個極端。
1911 年，他把一根凍成固體的細水銀絲浸入那個氦浴中，一邊降溫一邊觀察它的電阻。一切都和預期一樣——電阻越來越低——直到在絕對零度之上僅四度多一點的地方，電阻不只是變小，而是驟然、徹底地降到了零，彷彿有人扳動了一個開關。他的儀器再也測不出任何電阻。
「零」究竟意味著什麼
這種新狀態叫做超導，而其中電流的完美承載叫做零電阻。可是，一台讀數為零的儀器只能證明電阻小於儀器所能探測的極限。那我們怎麼知道它是真正、確確實實的零——而不只是剩下極其微小的一點點呢？
巧妙的檢驗方法是：讓電流在一個超導環裡繞圈流動，然後走開。在任何普通導線裡，電流都會一閃即滅，被電阻耗乾。可在超導體裡，這圈電流就這麼一直轉下去，一圈又一圈，沒有任何電池供電。這樣靠自己永遠流下去的電流叫做持續電流。實驗已經看著這種環路運行了好幾年都沒有可測量的減弱。就一切觀察而言，電阻不是小——它是真正的零。
- 把一個超導金屬環冷卻到它那個特殊溫度以下。
- 讓一股電流在環裡繞起來，然後切斷電源。
- 過很久再回來——電流仍在繞圈，毫不減弱。
- 沒有電阻就沒有能量損失，所以沒有任何東西能讓這環路慢下來。
一個有名字的溫度
每種超導體都有自己的開關溫度：低於它就進入超導，高於它就是普通的、有電阻的金屬。這個轉變點叫臨界溫度——常寫作 T-c，意為「臨界溫度」。昂內斯的水銀約在絕對零度之上四度；別的材料則高一點或低一點。降到它以下，魔法就開啟；升回它以上，魔法就關閉，乾脆而可靠。
這個開關之乾脆，正是某種根本性變化正在發生的線索。當水在攝氏零度結成冰時，它不是慢慢變硬——而是猛然重組成一種新的排列。材料性質這樣突然、一齊發生的改變叫做相變。臨界溫度處超導的到來，正是這樣一種相變：在 T-c 以下，電子安頓進一種嶄新、更有序的存在方式，而零電阻只是這種新秩序的一個後果。
為什麼這件事意義重大
零電阻不是一點小改進，而是另一類東西。普通輸電線在長途傳輸中會把一部分能量作為熱損失掉。超導輸電線則一點都不損失。用超導導線繞成的磁體可以在沒有電源的情況下永遠承載巨大的電流，憑空造出一個強勁的磁場。無論當年還是如今，麻煩都在於「冷」：你必須把材料保持在它的臨界溫度以下，而對最早的那些超導體來說，這意味著液氦的昂貴與繁瑣。
留意我們在做的這筆交易。我們並非憑空白得——把一種材料保持得比太空的黑暗還冷，要付出實實在在、持續不斷的力氣和能量。超導給我們買來的是：一旦冷下來，材料自身分文不耗。所以對任何應用，問題永遠是同一個：完美無損這份獎賞，值不值得為「冷」付出那持續的代價？對一台醫院磁體或一台量子計算機來說，答案是響亮的「值」，最後一篇會說明這一點。