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说说神奇的超导体
2020-06-05

在科幻小说中,力场除了抵御镭射枪的攻击外还有另一个功用,那就是作为抵抗万有引力的平台。在电影《回到未来》中,迈克尔·J.福克斯踏着一块飞行滑板,它与普通滑板一模一样,区别之处在于它漂浮在街道上空。根据我们现今已知的物理定律(我们将在第10章中谈到),这样一个抗引力的装置是不可能实现的。但磁浮滑板和磁浮汽车在未来是可能成为现实的,将给予我们随意托举大型物体的能力。在未来,如果“室温超导体”成为现实,我们就有可能使用磁力场的力量抬升物体。

如果我们将两条磁铁N极对N极并排放置,两块磁铁会相互排斥(如果我们旋转磁铁,使一条的N极对准另一条的S极,则两条磁铁会相互吸引)。这一定理,即同极相斥,可以用来将巨大的重量抬离地面。有几个国家已经建造了先进的磁悬浮列车,这样的列车使用普通的磁力使车身略微悬浮在铁轨上方。由于悬浮在空气的软垫之上,没有摩擦,它们能以破纪录的速度行驶。

在1984年,世界上第一套商业化自动磁悬浮系统在英国投入运营,从伯明翰国际机场行驶到近旁的伯明翰国际火车站。在德国、日本和韩国也建造了磁悬浮列车,尽管它们没有被设计成高速列车。第一列高速运营的商用磁悬浮列车是中国上海的高速磁悬浮列车示范运营线(IOS),行驶速度为每小时268英里。日本山梨县的磁悬浮列车达到了每小时361英里的速度,比有轮子的普通列车还快。

但是这些磁悬浮装置极其昂贵。增加效率的方法之一是使用超导体,它们在被冷却到绝对零度左右的时候会完全丧失电阻。超导性是由海克·昂尼思(Heike Onnes)在1911年发现的。如果将某些物质冷却到绝对零度以上不足20K的范围内,电阻将会完全丧失。通常,当我们将金属的温度降低,它的电阻会逐渐减弱(这是因为在金属丝中原子的随机振动妨碍电子的流动,降低温度后这些随机运动也减少,因此电子流动的阻力变小)。可是,让昂尼斯大吃一惊的是,他发现某些特定材料的电阻在极端温度下突然变为零。

物理学家们立刻认识到了这一结果的重要性。电源线在将电力经长距离传送的过程中会损失大量的能量。但若是电阻能被全部消除,电力就几乎可以毫无损失地进行传输。事实上,如果电力被置于金属线圈中循环流通的话,那电力可以流通数百万年,而能量丝毫无损。除此之外,只要用很小的代价就能用这些巨大的电流创造出力量非凡的磁铁。有了这样的磁铁,我们可以轻易抬起巨大的重量。

尽管有了这些奇迹般的力量,但超导体的问题在于将大块磁铁浸入巨大容器所盛的超冷液体(supercooled liquid)中是非常昂贵的。想保持液体的超冷却状态就需要巨型制冷设施,这使得超导磁铁的代价昂贵得难以承受。

但物理学家有一天或许能创造出“室温超导体”——固体物理学家们的圣物。在试验室中发明室温超导体将会激发第二次工业革命。能抬起汽车和火车的强力磁场将会变得非常廉价,以至于悬浮汽车或许会在经济上变得可行。有了室温超导体,在《回到未来》、《少数派报告》(Minority Report)和《星球大战》(Star Wars)中梦幻般的飞行汽车就会成为现实。

原则上,人们可以系上一条用超导磁铁制成的腰带,它可以让人毫不费力地离开地面飘在空中。有了这么一条腰带,我们可以像超人那样在空中飞行。室温超导体是如此的非同凡响,以至于它们曾经出现在无数科幻小说中,比如拉瑞·尼文(Larry Niven)在1970年创作的《环形世界》(Ringworld)系列。

几十年来,物理学家一直在室温超导体上进行探索,结果却徒劳无功。这已经成为一项冗长、混乱的程序,将材料一种一种地进行测试。但是,在1986年,一个被称为“高温超导体”的新级别物质被发现会在温度为绝对零度以上90度,或者说90K时成为超导体,这在物理界引起了轰动。水闸的阀门似乎被打开了,月复一月,物理学家们你追我赶地要打破下一个超导体的世界纪录。有那么短暂的一刻,室温超导体的可实现性似乎要跳出科幻小说的书页进入我们的起居室。可是在多年的极速前进之后,对于高温超导体的研究进程开始放慢了。

目前,高温超导体的世界纪录由一种叫汞铊钡钙铜氧化合物的物质所保持,它在138K(-135°C)时成为超导体。这一相对较高的温度离室温超导体仍有很大距离。但是138K这一纪录仍然具有重要意义。氮在77K液化,而且液氮的价格和普通的牛奶差不多。因此,普通的液氮可以用相当低廉的代价冷却这些高温超导体(当然,室温超导体根本用不着冷却)。

令人非常尴尬的是,目前没有理论能解释这些高温超导体的性质。事实上,一块诺贝尔奖牌正等待着某个能解释高温超导体如何运作的敬业的物理学家来领取(这些高温超导体是由被排列成特殊层次的原子制成的。许多物理学家建立理论,解释怎样将陶瓷材料进行分层能使得电子在各个层次间自由流动成为可能,从而形成了超导体。可是这一过程究竟如何具体运作仍是一个谜)。

由于缺乏这方面的认知,物理学家不幸要采用一种漫无目的的程序来寻找新的高温超导体。这意味着那传说中的室温超导体可能会在明天被发现,可能会在明年被发现,或者根本就发现不了。没有人知道这一物质会在何时或是否能寻找到。

可一旦室温超导体被发现,一股商业应用的狂潮就将掀起。比地球磁场(约0.5高斯)强大数百万倍的磁场或许会变得随处可见。超导体的共同属性之一被称为迈斯纳效应(Meissner effect)。如果将一块磁铁放置到一个超导体上,磁铁将会悬浮起来,就像被某种看不见的力举起一样(迈斯纳效应的原理是磁铁有在超导体内部制造一个“镜像”的能力,因此磁铁本身与镜像磁铁会相斥。另一种对这种效应的解释是,磁场无法穿透一个超导体。相反,磁场会被排斥。因此,如果一块磁铁被放置在超导体上方,其力线会被超导体所排斥,于是力线将磁铁向上推,使其悬浮)。

应用迈斯纳效应,我们可以想象未来的高速公路将由这样的特殊陶瓷建成。于是我们的腰带和轮胎中所放置的磁铁能使我们魔法般地向我们的目的地漂去而不发生摩擦,也不损失能量。

迈斯纳效应只在具有磁性的材料上起作用,比如金属。但也可能可以使用超导磁铁使无磁性材料悬浮,称作顺磁体和抗磁体。这些物质本身并不具有磁性,它们只有在处于外部磁场中的时候才能获得磁性。顺磁体受外磁铁吸引,而抗磁体则被外磁铁排斥。举个例子,水是一种抗磁体。由于一切生物都由水组成,它们可以在强力磁场中悬浮。在一个约15特斯拉(相当于地表磁力3万倍)的磁场中,科学家们已经能使小型动物——比如青蛙悬浮。但是如果室温超导体成为现实,它应有可能通过使用抗磁体的属性使大型非磁体也同样悬浮。