神奇的超导现象

文／神们自己 图／图虫创意

2023 年7 月底，一个名不见经传的韩国实验室发表了一篇非正式论文，介绍他们发现了一种在常温常压下实现超导的方法，并制备了一些样品。这个消息在国际上引起轩然大波，全世界的实验室都迅速行动起来，印证该论文的真实性——如果这个发现是真的，那么它将具有重大意义，有人甚至称它为“第四次工业革命”。

什么是超导？为什么人们对它如此重视？让我来给大家科普一下。

超导现象最早是由荷兰科学家昂尼斯在1911年发现的：把温度降低到- 269 ℃后，水银的电阻突然消失了。昂尼斯把这种物理现象称为“超导”，即超级导电。昂尼斯在1913 年获得了诺贝尔奖，这相当神速。一般来说，诺贝尔奖需要很长的时间验证其重要性才会颁发，而发现超导现象只用了2 年就获奖，足以说明它的重要性。

超导是一种非常神奇的现象，初次看到时，简直感觉它像是魔法而不是科学。它具有两个特点：第一，电阻为零，而且这个电阻不是逐渐降低的，而是突然消失的，这意味着在超导材料中，电能可以毫无损耗的方式传输；第二，完全抗磁性，也就是说，超导体可以在磁场中悬浮，而不依赖任何外部动力。

超导的这两个特点，在当时根本无法用科学原理来解释。一直到1957 年，才出现了超导理论（该理论在1972 年获诺贝尔奖）。与其他领域相比，超导的发展可以说是非常不寻常的。通常人们会说，物理学中最难的是相对论和量子力学。但要我说，超导才是最难的。相对论是先提出理论，10 多年后得到了实验证实；量子力学的实验和理论之间的时间差并不大，最早关于量子力学的实验是在黑体辐射和氢原子的能级问题中提出的，在一两年内就有了完美的理论解释；而从发现超导现象到提出超导理论，经历了近50年的时间，超导理论有多难产，可想而知。

超导理论是由巴丁、库珀和施里弗三位科学家合作提出的，他们三人姓氏的首字母分别是B、C 和S，因此也称为“BCS 理论”。在讨论BCS 理论之前，我们先来探讨一个基本概念，那就是电阻为什么存在。电阻是电流流过时所受到的阻力，但为什么会有阻力阻碍电流的流动？

以牛顿定律为例，当我们把一个小球扔出去时，它会滚动一段时间然后停下来，小球停下来是因为受到了阻力和摩擦力的影响。同样，在电流中，电子也会受到阻力，并最终导致电流停止。电阻产生的机制与金属内部的结构有关。金属由原子组成，当电子穿过时，它可能会撞到原子上，从而改变方向，停止向前运动。为什么电子不能从原子的空隙中穿过呢？原因在于，原子并不是固定不动的。如果原子能够完全静止不动，对于降低电阻将非常有利。温度越低，原子的振动幅度就越小，电阻将逐渐降低。

BCS 理论提供了一种解释，当温度足够低时，金属内部的电子将以特殊的配对状态存在，形成超导状态。超导状态是一种量子现象。当电流穿过超导材料时，它已经处于能量最低的状态，无法释放任何能量到外界，这意味着完全没有能量损耗。然而，一旦外界温度升高，最低能态就会被破坏。因此，超导现象需要极低的温度来维持。 从最早的- 269 ℃开始，科学家一步步提高了超导体的工作温度。然而，在过去的100 多年中，最高纪录是- 140 ℃，仍然很低。

BCS 理论解释了一种超导形成的可能性，但并不代表所有的可能性。在低温超导之后，出现了另一条途径，即高压超导，通过施加高压来实现在较高温度下的超导。最近的研究结果显示，在室温15 ℃的情况下，使用一种硫氢化合物能达到超导状态。然而，需要的气压相当于260 多万个标准大气压。

从目前来看，低温和高压这两条路线都不容易，都不可能让超导实现大规模商用。所以，当韩国人声称找到了一种常温常压的超导材料，这个材料由铜和铅的金属晶体混合制成，只需要加热到一定程度就可以实现超导时，全世界的目光都投了过来。这个发现如果属实，将对超导技术产生巨大影响。哪怕这个研究是有缺陷的，那也探索了一种全新的思路和方向。

如果超导技术取得突破，我们的生活将发生巨大变化。首先，超导材料没有电阻，可以用于输电，能够大规模减少电能的损失。其次，超导技术还可以应用于磁悬浮交通，例如飞行汽车。通过在底部加上磁场，然后使用超导材料来悬浮汽车，就可以制造安全且高效的飞行汽车。这个想法有点像科幻电影中的情节，但是如果超导材料真的变得容易制备和低成本，这个梦想可能会实现。

另外，超导材料还可以用来制造量子计算机。量子计算机的出现，将为人类带来更先进的技术和更广阔的发展空间。超导材料作为量子计算机的基本材料，具有特殊的电流环状态。这个环可以同时存在两种状态，类似于0 和1，这两种状态可以表示量子比特。通过施加电磁脉冲等操作，可以在这两种状态之间进行切换，这是量子计算的基本操作之一。如果能够开发出常温常压的超导材料，量子计算机将变得更加普及和实用，无须完全取代现有的显卡，量子计算机只需在1%的计算任务上取代显卡，即可大幅提升计算速度。量子计算机在某些特定计算问题上具有强大的能力，可在1 秒钟内完成传统计算机需要1 万年才能完成的任务。

科技发展从来没有停滞过，我很乐观地相信：在未来10 年内，人类将在量子计算机、人工智能大模型、超导技术、核聚变等多个领域取得突破。在这个科技飞速发展的时代，也希望你们尽快成长起来，用自己的努力创造新的奇迹。