神奇的超導現象

文／神們自己 圖／圖蟲創意

2023 年7 月底，一個名不見經傳的韓國實驗室發表了一篇非正式論文，介紹他們發現了一種在常溫常壓下實現超導的方法，并制備了一些樣品。這個消息在國際上引起軒然大波，全世界的實驗室都迅速行動起來，印證該論文的真實性——如果這個發現是真的，那么它將具有重大意義，有人甚至稱它為“第四次工業革命”。

什么是超導？為什么人們對它如此重視？讓我來給大家科普一下。

超導現象最早是由荷蘭科學家昂尼斯在1911年發現的：把溫度降低到- 269 ℃后，水銀的電阻突然消失了。昂尼斯把這種物理現象稱為“超導”，即超級導電。昂尼斯在1913 年獲得了諾貝爾獎，這相當神速。一般來說，諾貝爾獎需要很長的時間驗證其重要性才會頒發，而發現超導現象只用了2 年就獲獎，足以說明它的重要性。

超導是一種非常神奇的現象，初次看到時，簡直感覺它像是魔法而不是科學。它具有兩個特點：第一，電阻為零，而且這個電阻不是逐漸降低的，而是突然消失的，這意味著在超導材料中，電能可以毫無損耗的方式傳輸；第二，完全抗磁性，也就是說，超導體可以在磁場中懸浮，而不依賴任何外部動力。

超導的這兩個特點，在當時根本無法用科學原理來解釋。一直到1957 年，才出現了超導理論（該理論在1972 年獲諾貝爾獎）。與其他領域相比，超導的發展可以說是非常不尋常的。通常人們會說，物理學中最難的是相對論和量子力學。但要我說，超導才是最難的。相對論是先提出理論，10 多年后得到了實驗證實；量子力學的實驗和理論之間的時間差并不大，最早關于量子力學的實驗是在黑體輻射和氫原子的能級問題中提出的，在一兩年內就有了完美的理論解釋；而從發現超導現象到提出超導理論，經歷了近50年的時間，超導理論有多難產，可想而知。

超導理論是由巴丁、庫珀和施里弗三位科學家合作提出的，他們三人姓氏的首字母分別是B、C 和S，因此也稱為“BCS 理論”。在討論BCS 理論之前，我們先來探討一個基本概念，那就是電阻為什么存在。電阻是電流流過時所受到的阻力，但為什么會有阻力阻礙電流的流動？

以牛頓定律為例，當我們把一個小球扔出去時，它會滾動一段時間然后停下來，小球停下來是因為受到了阻力和摩擦力的影響。同樣，在電流中，電子也會受到阻力，并最終導致電流停止。電阻產生的機制與金屬內部的結構有關。金屬由原子組成，當電子穿過時，它可能會撞到原子上，從而改變方向，停止向前運動。為什么電子不能從原子的空隙中穿過呢？原因在于，原子并不是固定不動的。如果原子能夠完全靜止不動，對于降低電阻將非常有利。溫度越低，原子的振動幅度就越小，電阻將逐漸降低。

BCS 理論提供了一種解釋，當溫度足夠低時，金屬內部的電子將以特殊的配對狀態存在，形成超導狀態。超導狀態是一種量子現象。當電流穿過超導材料時，它已經處于能量最低的狀態，無法釋放任何能量到外界，這意味著完全沒有能量損耗。然而，一旦外界溫度升高，最低能態就會被破壞。因此，超導現象需要極低的溫度來維持。 從最早的- 269 ℃開始，科學家一步步提高了超導體的工作溫度。然而，在過去的100 多年中，最高紀錄是- 140 ℃，仍然很低。

BCS 理論解釋了一種超導形成的可能性，但并不代表所有的可能性。在低溫超導之后，出現了另一條途徑，即高壓超導，通過施加高壓來實現在較高溫度下的超導。最近的研究結果顯示，在室溫15 ℃的情況下，使用一種硫氫化合物能達到超導狀態。然而，需要的氣壓相當于260 多萬個標準大氣壓。

從目前來看，低溫和高壓這兩條路線都不容易，都不可能讓超導實現大規模商用。所以，當韓國人聲稱找到了一種常溫常壓的超導材料，這個材料由銅和鉛的金屬晶體混合制成，只需要加熱到一定程度就可以實現超導時，全世界的目光都投了過來。這個發現如果屬實，將對超導技術產生巨大影響。哪怕這個研究是有缺陷的，那也探索了一種全新的思路和方向。

如果超導技術取得突破，我們的生活將發生巨大變化。首先，超導材料沒有電阻，可以用于輸電，能夠大規模減少電能的損失。其次，超導技術還可以應用于磁懸浮交通，例如飛行汽車。通過在底部加上磁場，然后使用超導材料來懸浮汽車，就可以制造安全且高效的飛行汽車。這個想法有點像科幻電影中的情節，但是如果超導材料真的變得容易制備和低成本，這個夢想可能會實現。

另外，超導材料還可以用來制造量子計算機。量子計算機的出現，將為人類帶來更先進的技術和更廣闊的發展空間。超導材料作為量子計算機的基本材料，具有特殊的電流環狀態。這個環可以同時存在兩種狀態，類似于0 和1，這兩種狀態可以表示量子比特。通過施加電磁脈沖等操作，可以在這兩種狀態之間進行切換，這是量子計算的基本操作之一。如果能夠開發出常溫常壓的超導材料，量子計算機將變得更加普及和實用，無須完全取代現有的顯卡，量子計算機只需在1%的計算任務上取代顯卡，即可大幅提升計算速度。量子計算機在某些特定計算問題上具有強大的能力，可在1 秒鐘內完成傳統計算機需要1 萬年才能完成的任務。

科技發展從來沒有停滯過，我很樂觀地相信：在未來10 年內，人類將在量子計算機、人工智能大模型、超導技術、核聚變等多個領域取得突破。在這個科技飛速發展的時代，也希望你們盡快成長起來，用自己的努力創造新的奇跡。