为什么导线会发热
手机充电器插着用一会儿后摸上去是温热的。那点温热是被浪费掉的能量。在导线内部，携带电流的电子不断撞上金属中那些抖动的原子，被它们散射开来，每撞一次就交出一点点能量。这种对电流流动的顽固阻挠就叫做电阻，它表现为热量。一种材料天生阻挠电流的倾向叫电阻率；它让电流通过的难易程度叫电导率——这是同一件事从另一面来讲。
在铜这样的普通金属里，降温会有一点帮助。金属变冷时，原子抖得没那么厉害，电子撞上它们的次数就少了，电阻随之下降。整整一个世纪里，人人都以为规律很简单：越冷电阻越低，到能想象到的最冷温度，也许会剩下某个小小的残值——但绝不会真正归零。
通向极冷的竞赛
要检验这条规律，你得真正冷下来——比任何冰柜都冷得多，比月球的背阴面还冷。研究如何达到这种温度的学问叫低温学。1908 年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯做成了一件前人未做之事：他把氦气变成了液体，而这只在比可能的最低温度——物理学家所说的绝对零度——高出几度时才会发生。液氦给了他一个足够冷的浴槽，能把别的东西也冷到那个极端。
1911 年，他把一根冻成固体的细水银丝浸入那个氦浴中，一边降温一边观察它的电阻。一切都和预期一样——电阻越来越低——直到在绝对零度之上仅四度多一点的地方，电阻不只是变小，而是骤然、彻底地降到了零，仿佛有人扳动了一个开关。他的仪器再也测不出任何电阻。
「零」究竟意味着什么
这种新状态叫做超导，而其中电流的完美承载叫做零电阻。可是，一台读数为零的仪器只能证明电阻小于仪器所能探测的极限。那我们怎么知道它是真正、确确实实的零——而不只是剩下极其微小的一点点呢？
巧妙的检验方法是：让电流在一个超导环里绕圈流动，然后走开。在任何普通导线里，电流都会一闪即灭，被电阻耗干。可在超导体里，这圈电流就这么一直转下去，一圈又一圈，没有任何电池供电。这样靠自己永远流下去的电流叫做持续电流。实验已经看着这种环路运行了好几年都没有可测量的减弱。就一切观察而言，电阻不是小——它是真正的零。
- 把一个超导金属环冷却到它那个特殊温度以下。
- 让一股电流在环里绕起来，然后切断电源。
- 过很久再回来——电流仍在绕圈，毫不减弱。
- 没有电阻就没有能量损失，所以没有任何东西能让这环路慢下来。
一个有名字的温度
每种超导体都有自己的开关温度：低于它就进入超导，高于它就是普通的、有电阻的金属。这个转变点叫临界温度——常写作 T-c，意为「临界温度」。昂内斯的水银约在绝对零度之上四度；别的材料则高一点或低一点。降到它以下，魔法就开启；升回它以上，魔法就关闭，干脆而可靠。
这个开关之干脆，正是某种根本性变化正在发生的线索。当水在摄氏零度结成冰时，它不是慢慢变硬——而是猛然重组成一种新的排列。材料性质这样突然、一齐发生的改变叫做相变。临界温度处超导的到来，正是这样一种相变：在 T-c 以下，电子安顿进一种崭新、更有序的存在方式，而零电阻只是这种新秩序的一个后果。
为什么这件事意义重大
零电阻不是一点小改进，而是另一类东西。普通输电线在长途传输中会把一部分能量作为热损失掉。超导输电线则一点都不损失。用超导导线绕成的磁体可以在没有电源的情况下永远承载巨大的电流，凭空造出一个强劲的磁场。无论当年还是如今，麻烦都在于「冷」：你必须把材料保持在它的临界温度以下，而对最早的那些超导体来说，这意味着液氦的昂贵与繁琐。
留意我们在做的这笔交易。我们并非凭空白得——把一种材料保持得比太空的黑暗还冷，要付出实实在在、持续不断的力气和能量。超导给我们买来的是：一旦冷下来，材料自身分文不耗。所以对任何应用，问题永远是同一个：完美无损这份奖赏，值不值得为「冷」付出那持续的代价？对一台医院磁体或一台量子计算机来说，答案是响亮的「值」，最后一篇会说明这一点。