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在19世纪中叶物理学家开始理解热力学定律之前，发明家们被永动机的设想所吸引，试图利用热量的流动。除了认真的创新者，骗子们也填补了科学的空白。查尔斯·雷德赫弗（Charles Redheffer）就是这样一位自称的发明家，他于1812年在费城和纽约市摆摊售票，展示他永不停歇的机器，后来发现机器是由一个隐藏的阁楼里的人转动曲柄驱动的。
即使在热力学揭露了所有骗局之后，自由做功的观念也并未消亡。1911年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）发现，电力会在被冷却至接近绝对零度的-452华氏度的汞中无限流动。永动机回来了！这次披上了超导金属的外衣。
《大众科学》在1967年3月报道称，工程技术在这些材料上取得实质性进展还需要50多年。又过了半个世纪，允许电子快速流动的量子机制仍在研究中，寻找完美的超导物质（即能在室温下工作的物质）的竞赛仍在继续。
“明日的极寒‘永动机’” (W. Stevenson Bacon, 1967年3月)
在接近绝对零度（-459°F）的极低温度下，存在着一个奇特的“电气永动机”——或称超导性——的世界，一旦启动，电流就会永远流动。随着材料和冷却方法的进步，各种奇妙的设备正在全国各地的实验室中成形。
• 超导电机，由于无阻力绕组和无摩擦超导轴承，其效率远高于以往制造的任何旋转机器（尽管为其制冷所需的能源另算）。
• 超导发电机，其功率输出比已知任何设备都更大，而重量和体积却更小。
• 在真空或液氦中“悬浮”的超导轴承和陀螺仪。
• 被称为“低温开关”（cryotrons）的“快速思考”计算机逻辑元件。其中，IBM最新的一款此前从未公开过，基于一种称为电子隧穿的现象，其工作速度不到十亿分之一秒。
• 直径为1/100英寸的细线，由奇异材料制成，可承载300安培电流——无阻力，无发热。相比之下，传统的室温导体需要大600倍。
• 直流变压器，在超低温技术出现之前，人们认为这是不可能的。
• 称为“磁通泵”的设备，可以将小的电压、电流和磁场转换为大的。
• 超导磁体和螺线管，与同等大小的电磁体相比非常小巧，可产生比地球磁场强许多倍的磁场，且一旦施加启动电流即可永远运行。它们是第一批成熟的新型“永动机”，一家制造商（RCA）目前已实现流水线生产。
追求“不可能”
对“电气永动机”的探索已经持续了50年。这是一个引人入胜的故事，充满了偶然的发现、多年的挫折，然后是新线索的缓慢、逐步揭示，最终将我们带入了一项令人兴奋的新技术的门槛。
正常情况下，金属对电流的流动存在电阻，输入导线的能量大部分会以热量的形式损失掉。为什么？
例如，铜的原子结合在一起形成分子，分子再构成高度有序的三维网格或晶格。有大量的“自由”导电电子可以穿过晶格，携带电流。不幸的是，在高于绝对零度的任何温度下，热能都会导致极大的无序。
晶格结构处于持续的振动状态，它会散射电子，产生更多的热量，更多的扰动，以及对电流流动的更大阻力。在20世纪初，荷兰物理学家卡末林·昂内斯决定找出通过极低温度可以降低金属电阻到何种程度。他做到了，因为他是第一个成功液化氦气的人。在-452°F（4.2开尔文）的极低沸点下，它提供了将金属冷却至接近绝对零度的第一个实用方法。
昂内斯用纯化的汞测量了温度下降时的电阻。起初，情况符合预期。然后，突然之间，无法解释地，在4.15开尔文的温度下，电阻完全消失了。一旦在汞中流动起来，电流就会永远流动。昂内斯目瞪口呆，意识到他偶然发现了一种全新的物质状态，在这种状态下，一种“永动机”或超导性是可能的。
22年后，即1933年，德国物理学家瓦尔特·迈斯纳（Walther Meissner）发现了另一个惊人的事实。纯超导体在置于磁场中时，会将其磁通量排出。一些可能性包括：在磁场中悬浮的无摩擦超导轴承、无误差的陀螺仪——甚至有人提出一种磁悬浮列车，它依靠磁场悬浮在超导轨道上方。
解开谜团
什么是超导性？它如何被利用？这个谜团困扰了科学家50年。诱惑——传输和使用电力的极高效率方式——是诱人的，但问题很多。昂内斯很快发现他的超导体，尤其是铅线，存在严重的局限性。他试图制造一个磁体，却发现铅在磁场中停止超导。强大的电流流也有同样的效果。
理论帮助不大。很容易理解为什么随着温度降低电阻会减小。带走热量，就减少了晶格振动和电子散射。但完全没有电阻是另一回事。更糟糕的是，超导性发生在远高于绝对零度的温度下——在最近发现的化合物中，则在18开尔文以上。
然后，在1957年，三位杰出的科学家：J. Bardeen、L.N. Cooper和J.R. Schrieffer，提出了第一个可行的超导性理论。
尽管电子带有相同的电荷，通常会相互排斥，但在接近绝对零度的极寒世界中，会出现一种前所未有的现象，称为“电子配对”。在强烈低温的作用下，它们会像冷表面上的水滴一样凝结，下降到一个较低的能量或量子能级。在这个能级上，具有相反自旋和大小相等、方向相反动量的电子之间会出现微小的吸引力。它们相互作用，并与晶格相互作用，通过交换声子（振动能量的量子）来实现，就像两个相同频率的音叉紧密地安装在同一个底座上一样。电子对则以波状方式与其他超导体中的电子对相互作用。
是什么阻止电子与晶格碰撞并以热量的形式损失能量？科学家们说，答案在于量子力学。某种结合力将电子束缚在一起，降低了它们的势能。如果一对电子中的一个被散射，它的势能就会以量子跳跃的方式升高，足以弥补其速度上的损失。
换句话说，在它们的低能级下，电子不可能通过与晶格碰撞来损失能量；它们只会获得能量。摆脱了能量损失，电子就变成了“无摩擦”的——“永动机”式的电流载体。
最后的障碍
有了可行的理论，就为第一批“永动机”奠定了基础。剩下的问题是：需要能够承受强磁场并保持超导性的材料。
然后，在一次堪比超导性本身发现的突破中，贝尔电话实验室的J.E. Kunzler于1961年发现，某些超导合金——铌-锡、钒-硅、钒-镓、钼-铼以及铌-锆的组合——可以承受高达100,000高斯（是地球磁场的200,000倍！）的磁场。
这些新型超导体被称为“硬”超导体，与纯元素超导体（如铅、钽、汞、锡、铝等）形成对比，后者是延展性好的软材料。它们也被称为II型或丝状超导体，这解释了它们为何有效。
与纯超导体相比，新型合金允许磁通量进入，从而使导线的某些区域变为正常态。然而，由于导线本身极其不纯的成分，超导电流仍然通过导线中细小的丝状纤维流动。
磁体与机器
超导磁体通常只是一个悬浮在闪亮的、不锈钢杜瓦瓶（绝缘容器）中的液氦。然而，它们的磁场可以与传统的电磁体相媲美，而传统的电磁体需要一个小发电厂的全部输出和数千加仑的冷却水。
当放大超导磁体时会发生什么？我在波士顿的Avco公司看到了世界上最大的超导磁体。在一个巨大的实验室一侧，一个40英尺高的塔楼支撑着非磁性铝梁，下方是一个巨大的杜瓦瓶，里面装有6,000升（价值24,000美元）的液氦。测试时，这个10英尺长、八吨重的磁体被缓慢放入杜瓦瓶中，并添加氦气。它的绕组，九股铌-锆合金线，嵌入铜带中，以防止超导体出现热点并变得正常。厚铝圆筒支撑着绕组的每一层——以防止磁体内的巨大力将其爆炸性地撑裂。
当磁体开始充电时，一台直流发电机（超导体对高频交流电流会迅速产生电阻）在背景中发出嗡嗡声。这个过程需要25分钟，完成后，磁体将储存500万焦耳的能量——相当于9.5根炸药。
五百万焦耳——用来做什么？
我问我的主人，Z.J.J. Stekly博士，如此巨大的磁体有什么用途。
“磁流体动力发电机是一个潜在应用，”他告诉我。“Avco已经建造了一个原型机，可以通过磁场中的电离热气体发电。其他应用包括用于加速器、气泡室和其他研究设备的磁体。”
“它们可能被用来制造磁力‘瓶’，用于在聚变爆炸发电中约束等离子体。甚至有人建议将这些磁体用于屏蔽宇宙飞船免受太阳发出的致命辐射。”
“Avco公司正在研究超导性在船舶推进方面的应用。大型超导电动机可能会证明其经济性。”
我们离超导输电线——能够节省数百万瓦特电力的无阻力线路——还有多远？西屋公司的John K. Hulm博士对此表示谨慎乐观。“它们接近实用了，”他告诉我。“在不久的将来，我们将达到经济效益足以使我们建造它们的阶段。”
Hulm博士是致力于提高超导体工作最高温度（目前为18开尔文）的研究人员的领军人物。
“我们将找到在20多开尔文下表现出超导性的材料，”他告诉我。“然后，我们将能够使用便宜的、沸点在20开尔文的氢气进行冷却。绝缘将更简单、更便宜。谁知道我们会发现什么——在超导性方面，我们正处于法拉第或特斯拉在电力方面的阶段。”
1967年3月的封面故事：夜间驾驶、修理汽车凹痕、环游世界赛道以及理解不明飞行物。
部分文本经过编辑，以符合当代标准和风格。
