7月22日，在arXiv論文網(wǎng)站上出現(xiàn)了一篇令人震驚的論文。雖然篇幅簡(jiǎn)短，但內(nèi)容確實(shí)有震撼力。來(lái)自韓國(guó)的研究者表示，他們用同摻雜的鐵基化合物合成出了一種超導(dǎo)體，擁有高達(dá)400開(kāi)，也就是127攝氏度的臨界溫度。全世界都在關(guān)注這個(gè)室溫超導(dǎo)的新發(fā)現(xiàn)，但很多人并不清楚其意義。那么，什么是超導(dǎo)？為什么會(huì)有超導(dǎo)現(xiàn)象？實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)又有什么意義呢？

我們?cè)诔踔械臅r(shí)候都學(xué)習(xí)過(guò)，給一段導(dǎo)體通電時(shí)導(dǎo)體會(huì)發(fā)熱，這被稱作電流的熱效應(yīng)。我們的生活和電流的熱效應(yīng)也密切相關(guān)，比如說(shuō)電熱毯、電水壺、電飯煲都是利用電流的熱效應(yīng)工作的。

你在給手機(jī)充電的時(shí)候，可能也或多或少的感覺(jué)到了這件事情。

可是這里就有一個(gè)問(wèn)題，為什么給導(dǎo)體通電時(shí)它就一定會(huì)發(fā)熱呢？

要解釋這個(gè)問(wèn)題，我們就需要深入微觀去解釋電阻的本質(zhì)。我們都知道金屬是由金屬離子和自由電子組成的，自由電子顧名思義可以自由的跑動(dòng)，可是有的時(shí)候也會(huì)不巧，定向運(yùn)動(dòng)的電子可能會(huì)和金屬離子相撞。此時(shí)電子會(huì)慢下來(lái)，將動(dòng)能傳遞給離子，使其振動(dòng)，而這種振動(dòng)就是我們熟知的熱力學(xué)運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)的能量就是內(nèi)能，因此電子撞的越多，離子振動(dòng)的也就會(huì)越快，整個(gè)材料的溫度因此就越高，反過(guò)來(lái)，離子這種不安分的運(yùn)動(dòng)越劇烈，就會(huì)阻礙更多電子的運(yùn)動(dòng)，溫度升高，電阻會(huì)增大，也就是這么一個(gè)道理。人類因此很自然的想到，那如果不斷的降低溫度，減少金屬離子的振動(dòng)，是不是電阻就會(huì)一直降低呢？會(huì)不會(huì)有什么神奇的事情發(fā)生？

1911年荷蘭科學(xué)家昂內(nèi)斯把一塊汞放到液氦里，讓它的溫度一路下降到了零下269度。令人驚奇的事情發(fā)生了，在4.15開(kāi)這個(gè)溫度，汞的電阻急轉(zhuǎn)直下，居然直接變成了0，更準(zhǔn)確的說(shuō)是低于測(cè)量電阻的最小刻度，約為10的負(fù)5次方歐。

因?yàn)檫@項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，昂內(nèi)斯榮獲了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這種電阻在很低的溫度會(huì)變成零的現(xiàn)象就被稱之為超導(dǎo)現(xiàn)象，出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的物質(zhì)就被稱作超導(dǎo)體。

在那之后，人類探索了更多金屬，但然質(zhì)是否可以變成超導(dǎo)體的研究。

大家發(fā)現(xiàn)金屬普遍能夠在溫度比較低的時(shí)候變成超導(dǎo)體，變成超導(dǎo)體的那個(gè)轉(zhuǎn)變溫度被稱作臨界溫度，臨界溫度最高的金屬泥大概在九開(kāi)左右。為什么會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象呢？人類其實(shí)一直都沒(méi)有一個(gè)答案，超導(dǎo)的成因在很多年里一直是一個(gè)謎，直到整整50年之后，Bardeen、Cooper和Schrieffer三個(gè)人共同提出了人類第一個(gè)解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的理論，這個(gè)理論也因此以他們?nèi)齻€(gè)人的姓氏命名為BCS理論。

這三位科學(xué)家也在1973年因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

盡管原始的BCS理論非常的復(fù)雜抽象，而且涉及到很多量子場(chǎng)論的知識(shí)。但我們依然可以借助動(dòng)畫(huà)獲得一個(gè)最直觀和形象的認(rèn)識(shí)，了解超導(dǎo)行程背后的機(jī)理。

讓我們首先從晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，

如果你用一個(gè)電子顯微鏡深入放大的看金屬的內(nèi)部，你會(huì)發(fā)現(xiàn)金屬離子排列成了規(guī)則的結(jié)構(gòu)，它們像地板一樣以周期性的方式鋪滿了整個(gè)空間，這每一塊地板就被稱作晶胞。通常自由電子可以自由的在晶胞的空隙當(dāng)中穿行，所以這也就是金屬為什么可以導(dǎo)電的原因。但我們剛才也提到過(guò)，事實(shí)上這些金屬在不停的做熱力學(xué)的震動(dòng)，因此形成了對(duì)于電子移動(dòng)的阻礙，這就是電阻。當(dāng)溫度降低時(shí)，這些離子漸漸安分下來(lái)，有一種機(jī)制因此開(kāi)始得以凸顯，那就是在晶胞中的電子其實(shí)對(duì)于帶正電的離子是有吸引作用的。離子不是自由電子，所以沒(méi)有辦法移動(dòng)，但有其他離子拽著，它們會(huì)像一張彈簧網(wǎng)一樣被電子的引力拉著變形，這就被稱作晶格畸變。我們可以挪動(dòng)這個(gè)電子，看看整個(gè)晶胞是怎么隨著電子的位置變化發(fā)生畸變的。

晶格的畸變會(huì)引發(fā)一個(gè)有趣而且不可思議的副產(chǎn)品，那就是電子之間居然會(huì)出現(xiàn)相互吸引的力。這是因?yàn)樵诰植?，因?yàn)殡娮影堰@些正離子拉的比較靠近，這個(gè)局部的正電荷密度會(huì)變高?？梢哉J(rèn)為這個(gè)區(qū)域現(xiàn)在相對(duì)而言帶上了正電，產(chǎn)生了正電場(chǎng)。這種因?yàn)橐粋€(gè)粒子和晶體之間的相互作用，使得晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而對(duì)其他的粒子進(jìn)一步產(chǎn)生作用，在物理學(xué)中被稱作聲子。當(dāng)電子移動(dòng)時(shí)，這個(gè)局部的正電荷也就會(huì)跟著移動(dòng)。既然局部帶正電，那么異性相吸，另外一個(gè)電子也就會(huì)被吸引過(guò)來(lái)。這種吸引力甚至可以克服兩個(gè)帶負(fù)電粒子原本的排斥力，讓他們緊密地相貼。這種貼貼稱為一對(duì)的電子就被稱為庫(kù)珀對(duì)。庫(kù)珀對(duì)神奇地抵消了這兩個(gè)電子對(duì)于晶體的影響，使得它們?cè)诮饘僬x子面前如同隱形一樣，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的零阻力自由移動(dòng)，而這也就是零電阻的來(lái)源了。

這里還有好幾件值得解釋的事情，首先最大的問(wèn)題是，為什么兩個(gè)同性的電子貼貼之后居然就可以不受阻力了呢？這就是BCS理論最深刻和玄妙的地方。具體解釋它涉及到量子場(chǎng)論的知識(shí)，完全超出了這個(gè)視頻的范疇。但如果你一定要一個(gè)解釋，那就是電子作為自旋等于1/2的費(fèi)米子，原本必定會(huì)分布在各種不同的能量層級(jí)，而這就會(huì)導(dǎo)致它和晶體之間相互作用，從而發(fā)熱。形成了庫(kù)珀對(duì)之后，他們的能量就會(huì)處于一個(gè)很低的水平，所有的電子都將處于最低能級(jí)，與晶體的這些正離子發(fā)生碰撞反而是更費(fèi)勁和需要能量的事情，于是電子就相對(duì)自由的穿梭了。這同時(shí)也能夠解釋另一件事，為什么一定要很低的溫度或者很高的壓強(qiáng)才能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)呢？因?yàn)樗枰€(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生畸變，進(jìn)而產(chǎn)生可以吸引另一個(gè)電子的聲子。當(dāng)溫度太高時(shí)，這種配對(duì)很容易被破壞掉，電子因此還是孤單的。

此外我們的動(dòng)畫(huà)是為了直觀描述庫(kù)珀對(duì)，有些地方因此是不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，尤其是力尺度方面。事?shí)上這兩個(gè)電子之間的距離依然是非常非常遠(yuǎn)的，這個(gè)距離被稱作相干長(zhǎng)度，大約是1納米到100納米這個(gè)量級(jí)。也就是說(shuō)其實(shí)嚴(yán)格來(lái)講，這些電子并沒(méi)有貼貼，而是跨越了上百個(gè)格子之間的彼此聯(lián)動(dòng)。每一隊(duì)庫(kù)珀對(duì)之間往往還有著幾百萬(wàn)個(gè)庫(kù)珀對(duì)。

好的，現(xiàn)在你已經(jīng)理解了庫(kù)珀對(duì)理論，人類終于可以解釋超導(dǎo)了。但事實(shí)上，BCS理論只能解釋溫度比較低的超導(dǎo)現(xiàn)象，在溫度超過(guò)40開(kāi)時(shí)就不適用了。在1986年以前，人類發(fā)現(xiàn)的各種超導(dǎo)體基本上都還在這個(gè)溫度區(qū)間以內(nèi)?？墒?987年一種叫做銅氧化物的超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，它的超導(dǎo)溫度高達(dá)，沒(méi)錯(cuò)，是高達(dá)零下170多度。盡管這個(gè)溫度距離我們?nèi)粘Ｋ畹臏囟冗€是很低，可是它已經(jīng)高到足以宣告BCS理論并不能解釋所有超導(dǎo)的原理。達(dá)到這個(gè)溫度區(qū)間的超導(dǎo)體一般就是我們所說(shuō)的高溫超導(dǎo)體了。高溫超導(dǎo)的原理直到現(xiàn)在仍然并不清晰。人類提出了一些理論，比如強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子理論、自旋液體理論等等，但是都還沒(méi)有得到廣泛的接受，也都還存在著不能解釋的問(wèn)題。

我們接下來(lái)談一談另外一個(gè)有意思的話題。假設(shè)你也和韓國(guó)的科學(xué)家一樣發(fā)現(xiàn)了一種物質(zhì)，你該如何驗(yàn)證它是超導(dǎo)體呢？最簡(jiǎn)單也是最有說(shuō)服力的方法有兩個(gè)。第一個(gè)是利用焦耳定律。我們知道電流放熱的熱量可以用這個(gè)式子表示，所以就準(zhǔn)備一個(gè)隔熱效果很好的裝置，把超導(dǎo)體放入比熱容很小的液體里，用很大的電流通很長(zhǎng)的時(shí)間。如果經(jīng)過(guò)了很久之后，這個(gè)溫度都沒(méi)有任何的變化，就可以說(shuō)明這個(gè)導(dǎo)體幾乎沒(méi)有放熱，電阻幾乎為零了。

最早物理學(xué)家為了驗(yàn)證超導(dǎo)現(xiàn)象，真的是電阻變成了絕對(duì)的0，而不是小到一個(gè)儀器測(cè)量不出來(lái)的數(shù)值。把一個(gè)超導(dǎo)體通了整整兩年的電，放出的熱量居然硬是沒(méi)有讓溫度計(jì)最微小的刻度上升一格?？茖W(xué)家已經(jīng)確認(rèn)至少在10的負(fù)10次方這個(gè)量級(jí)的精度上，電阻消失了。現(xiàn)在人們可以用非常靈敏的方法直接測(cè)量電阻，不用去燒兩年的電了。

另一個(gè)方法和電磁感應(yīng)有關(guān)。我們?cè)谥袑W(xué)學(xué)習(xí)過(guò)，當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體切割磁感線，更準(zhǔn)確的說(shuō)是通過(guò)它的磁通量發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。

這種感應(yīng)電流會(huì)反過(guò)來(lái)抵抗原來(lái)的磁場(chǎng)，甚至發(fā)生反向的磁力的作用，這就是我們熟知的楞次定律。在一般的導(dǎo)體里，這種電流會(huì)因?yàn)殡娮璧膿p耗而很快消失，它所產(chǎn)生的這種抵抗的磁場(chǎng)也會(huì)因此漸漸退去。可是如果這個(gè)導(dǎo)體進(jìn)入了超導(dǎo)的狀態(tài)，那么它就沒(méi)有電阻，這種感應(yīng)電流就會(huì)永遠(yuǎn)的在那里旋轉(zhuǎn)起來(lái)，永遠(yuǎn)的產(chǎn)生磁場(chǎng)，直到它內(nèi)部不再有任何磁感線通過(guò)，磁鐵也因此獲得了懸浮的效果。

1933年，德國(guó)物理學(xué)家邁斯納和奧森菲爾德最早發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象。在這個(gè)來(lái)自于哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的視頻里，你可以看到，當(dāng)?shù)紫碌某瑢?dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的時(shí)候，上面的磁鐵就像科幻一樣突然懸浮了起來(lái)。

這也是為什么大家經(jīng)常說(shuō)，一旦超導(dǎo)體在室溫常壓下獲得了突破，那么磁懸浮列車和各種科幻的場(chǎng)景就會(huì)立刻到來(lái)。

在這個(gè)視頻里你就可以看到，因?yàn)槌瑢?dǎo)體具有這種磁通鎖定的性質(zhì)。因此如果你把它放在一個(gè)磁鐵的軌道上，它就可以以懸浮的狀態(tài)非常自由的去滑動(dòng)，就像沒(méi)有受到阻力一樣。

這就是人類幻想中對(duì)于磁懸浮列車的前景展望。

事實(shí)上超導(dǎo)的應(yīng)用其實(shí)遠(yuǎn)不止磁懸浮列車這么簡(jiǎn)單。如果超導(dǎo)能夠在室溫或常壓下穩(wěn)定存在，我們的世界將會(huì)發(fā)生天翻地覆的變化，人類技術(shù)發(fā)展的革命堪比前兩次技術(shù)革命的總和。

首先，我們傳輸電能的時(shí)候，有5%到10%的能量浪費(fèi)在了電阻的熱效應(yīng)上，如果我們能夠把電線換成超導(dǎo)體，人類相當(dāng)于原地獲得了10%的能源。

此外，當(dāng)你使用手機(jī)和電腦時(shí)，你可能也感受到了芯片在工作時(shí)發(fā)熱非常厲害。事實(shí)上，制約現(xiàn)在芯片速度和集成度最大的瓶頸就是難以散熱。如果有了超導(dǎo)體做芯片和電路，那么根本就不會(huì)發(fā)熱了，電器散熱的問(wèn)題也立刻得到解決，計(jì)算速度將會(huì)得到極大的提升，你的手機(jī)將會(huì)有接近于小型超算的計(jì)算能力。

再比如說(shuō)醫(yī)院里的核磁共振設(shè)備既貴又大，就是因?yàn)闉榱水a(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，非常費(fèi)勁。有了超導(dǎo)體，我們沒(méi)有了電阻的約束，可以非常容易的產(chǎn)生很大的磁場(chǎng)，箱子那么大的便攜式核磁共振儀成為可能。

更不用說(shuō)可控核聚變離我們需要巨大的磁場(chǎng)約束，正在反應(yīng)的幾千萬(wàn)甚至上億攝氏度的等離子體，有了超導(dǎo)，可控核聚變的進(jìn)程也會(huì)大大提前。

看到這里你或許就能明白，為什么全世界這么震驚，又如此期待室溫超導(dǎo)真的能夠到來(lái)。韓國(guó)科學(xué)家給出的制作方法是如此簡(jiǎn)單，甚至蒸汽時(shí)代就能制作，如果是真的，只能說(shuō)人類的科技術(shù)整整走歪了200年，很可惜。目前來(lái)看，這個(gè)好消息很有可能是假的。

但和之前三月份迪亞斯的情況不同，這次不像是故意造假，更像是一場(chǎng)美麗的誤會(huì)。韓國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的大概率是一種室溫常壓下可以強(qiáng)烈排斥磁體的抗磁性材料，它碰巧有著比較低但不為零的電阻，也能在一定程度上呈現(xiàn)出這種抬起來(lái)的懸浮狀態(tài)。

從這個(gè)視頻的對(duì)比你可以看到，這兩者依然有著很大的不同。目前全世界的實(shí)驗(yàn)室還在積極的復(fù)現(xiàn)著他們的結(jié)果。應(yīng)該不久就會(huì)有定論。

我不是權(quán)威人士，所說(shuō)的只代表我個(gè)人的猜想。我猜整個(gè)這出鬧劇最后的結(jié)果大概率是這個(gè)樣子的，

你找茬是不是？你要不要吧，你要不要？感謝你的觀看，如果你喜歡我的視頻，還希望你一鍵轉(zhuǎn)連，并轉(zhuǎn)發(fā)給周圍的人。漫是沉思路，學(xué)海引路不辛苦，我們下期再見(jiàn)。