【大咖說熱點(diǎn)】韓國(guó)“手搓超導(dǎo)”可信嗎？嚴(yán)伯鈞解讀什么是室溫超導(dǎo)《六級(jí)物理》

這份書單帶你走進(jìn)物理，了解室溫超導(dǎo)>>

原文 

喜馬拉雅的朋友，你好！我是嚴(yán)伯鈞,我是一名科普作家，也是喜馬拉雅的老朋友了。

最近室溫超導(dǎo)這個(gè)話題，非常的火熱，這個(gè)事情的來龍去脈，大概是這樣的。

大約不到兩周前。韓國(guó)的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)，在世界最大的，論文預(yù)印本網(wǎng)站ArXiv發(fā)表了一篇文章。所謂論文預(yù)印本網(wǎng)站，是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的論文從遞交給學(xué)術(shù)期刊，再到正式發(fā)表，通常要經(jīng)過曠日持久的同行評(píng)議過程。

而為了讓大家可以第一時(shí)間看到新鮮熱辣的論文，即便沒有經(jīng)過同行評(píng)議也先發(fā)出來，讓大家可以讀到，同時(shí)也是給自己的學(xué)術(shù)研究貢獻(xiàn)打個(gè)時(shí)間戳，以防有人跟自己做了類似的工作，到時(shí)候這個(gè)聲譽(yù)的歸屬不好界定。

所以對(duì)于專業(yè)的科研人員來說，平時(shí)看的文章更多不是來自于學(xué)術(shù)期刊雜志，而是會(huì)來自ArXiv這個(gè)論文預(yù)印網(wǎng)站?？傊兀褪且粋€(gè)韓國(guó)團(tuán)隊(duì)上傳了一篇文章，說是他們發(fā)現(xiàn)了一種新型的材料，命名為L(zhǎng)K99，這種材料可以產(chǎn)生室溫超導(dǎo)效應(yīng)。

這一石激起千層浪?。∪蚨荚陉P(guān)注這個(gè)材料，也有世界各地的團(tuán)隊(duì)，根據(jù)這篇論文試圖復(fù)現(xiàn)論文中的材料，來測(cè)試是否真如論文所說這種材料可以室溫超導(dǎo)。

因?yàn)椴还馐沁@個(gè)LK99號(hào)稱可以室溫超導(dǎo)，更是因?yàn)檎撐睦锏腖K99的配方出奇地簡(jiǎn)單。就只是用銅離子去參雜在鉛的磷化物里。這種感覺特別不真實(shí)，感覺就是個(gè)煉丹術(shù)，還有人戲稱這是手搓超導(dǎo)真的是點(diǎn)石成金，都說這如果是真的話，那便是繼2010年，物理諾獎(jiǎng)的透明膠，手拉石墨烯之后的又一大奇跡。

即便這個(gè)材料目前為止，還沒有被證實(shí)為真，全球范圍內(nèi)的超導(dǎo)概念股票就已經(jīng)漲了好多了。目前的情況，截止北京時(shí)間2023年8月4日，還沒有任何一個(gè)團(tuán)隊(duì)能完全復(fù)現(xiàn)這種材料。但有部分進(jìn)展，例如美國(guó)的勞倫斯實(shí)驗(yàn)室，從理論和計(jì)算模擬的角度驗(yàn)證了LK99這種材料的可行性。也就是LK99這種材料并不違反任何物理定律理論上是可行的。

然后，就是我們國(guó)家華中科大的團(tuán)隊(duì)，驗(yàn)證了這個(gè)材料的抗磁性是超導(dǎo)材料都具備的，但這里的邏輯關(guān)系要搞清楚，超導(dǎo)一定抗磁，但抗磁的不一定超導(dǎo)。再一個(gè)就是東南大學(xué)有一個(gè)團(tuán)隊(duì)，說是復(fù)現(xiàn)了這個(gè)材料的超導(dǎo)性，但是超導(dǎo)的溫度并不高，沒有達(dá)到韓國(guó)團(tuán)隊(duì)論文里說的室溫，依舊是要零下100多度。

目前，大致的情況就是如此，雖然還沒有被完全驗(yàn)證，但還不能過早斷言說這個(gè)手搓超導(dǎo)材料，就一定不行。而據(jù)說這兩天，韓國(guó)的團(tuán)隊(duì)把論文給撤稿了，不知道是什么原因咱們暫且不論。那為什么室溫超導(dǎo)材料會(huì)在全球范圍內(nèi)如此受關(guān)注呢？因?yàn)槭覝爻瑢?dǎo)這四個(gè)字如果實(shí)現(xiàn)，它可能會(huì)給人類帶來第四次工業(yè)革命，影響太廣泛了。

室溫超導(dǎo)，顧名思義，就是在室溫條件下，也可以擁有超導(dǎo)屬性的材料。那先要了解，什么是超導(dǎo)。簡(jiǎn)單理解就是電阻為零的導(dǎo)體。超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)最早是在1911年一位叫昂內(nèi)斯的荷蘭物理學(xué)家，他對(duì)極端低溫環(huán)境下的物理現(xiàn)象特別感興趣。

昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把水銀的溫度，降到液氦的溫度，也就是4.2開爾文，即零下269.3度的時(shí)候，水銀的電阻居然消失不見了。這就是超導(dǎo)第一次被發(fā)現(xiàn)并且這種超導(dǎo)的現(xiàn)象，還非常地穩(wěn)定電流進(jìn)入超導(dǎo)以后，不用加外電壓，它就可以一直存在于超導(dǎo)內(nèi)，并電流的強(qiáng)度長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)衰減。

那為什么會(huì)產(chǎn)生超導(dǎo)這種物理現(xiàn)象呢？超導(dǎo)現(xiàn)象的物理原理，其實(shí)到今天，都不能說是完全清楚，否則室溫超導(dǎo)，早就在理論的指導(dǎo)下制造出來了。但是關(guān)于超導(dǎo)的微觀機(jī)制，我們是有一定了解的，這里就不得不說著名的BCS超導(dǎo)理論了。

BCS超導(dǎo)理論，是以發(fā)明該理論的三名物理學(xué)家的姓氏首字母命名的分別是Bardeen，Cooper和Schreiffer。他們?nèi)辉谏鲜兰o(jì)50年代提出BCS理論，用以解釋超導(dǎo)形成的微觀機(jī)制，并于1972年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

值得一提的是BCS中的B——Bardeen，應(yīng)該是迄今為止，唯一獲得過兩次，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家，他另外一次獲獎(jiǎng)是1956年，為表彰他對(duì)半導(dǎo)體的研究，發(fā)明了晶體管，而晶體管就是我們今天信息科技的核心——芯片的計(jì)算單元，所以Bardeen也可以被認(rèn)為是芯片之父。

也可以順便一提的是，BCS中的C Cooper，在美國(guó)布朗大學(xué)任教，我在布朗大學(xué)讀博士期間，還跟他老人家學(xué)習(xí)過。Cooper老人家得了諾獎(jiǎng)以后，就轉(zhuǎn)向研究腦科學(xué)了。

BCS理論說的是什么呢？簡(jiǎn)單理解就是，Cooper Pair庫(kù)珀對(duì)。說的是電子在材料當(dāng)中，會(huì)與材料的晶格相互作用，會(huì)等效在電子之間，形成一種吸引力，這種吸引力會(huì)把兩個(gè)電子鎖在一起，形成一對(duì)，叫做庫(kù)珀對(duì)。

而電子是費(fèi)米子，但兩個(gè)電子在一起，就綁成了一個(gè)玻色子。玻色子在低溫狀態(tài)下，可以形成一種，物質(zhì)狀態(tài)叫玻色愛因斯坦凝聚。玻色愛因斯坦凝聚，往往是一種超流體的狀態(tài)，而所謂超流體，就是摩擦為零的流體，那你可以想象普通的流體，比方說水。

給你一盆水，你攪動(dòng)一下，過一會(huì)它就因?yàn)椋心Σ辆屯Ｖ惯\(yùn)動(dòng)了，但是超流體，一旦攪動(dòng)起來，它就不會(huì)停，因?yàn)闆]有摩擦。好了，如果庫(kù)珀對(duì)在低溫環(huán)境下變成了玻色愛因斯坦凝聚，而它又沒有摩擦，并且它還帶電，那可不就是超導(dǎo)了么。

因?yàn)殡娮璧谋举|(zhì)，就是帶電粒子。在運(yùn)動(dòng)過程中，經(jīng)歷摩擦碰撞，損失動(dòng)能，就體現(xiàn)為電阻。如果帶電粒子，沒有摩擦，不損耗動(dòng)能，電流就能永遠(yuǎn)存在下去，這可不就是超導(dǎo)了么。但問題是超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)溫度通常都非常之低。原因就是溫度高了，電子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，就會(huì)打破電子之間的吸引束縛，無法形成庫(kù)珀對(duì)，就沒有辦法超導(dǎo)。

所以自從超導(dǎo)被發(fā)現(xiàn)之后，科學(xué)家們就一直，致力于去提升，超導(dǎo)的溫度。而所謂室溫超導(dǎo)，就是把超導(dǎo)的臨界溫度，提升到攝氏20度左右，使得我們不需要制造低溫環(huán)境，也可以擁有超導(dǎo)現(xiàn)象。

那為什么超導(dǎo)那么香呢？為什么室溫超導(dǎo)一旦實(shí)現(xiàn)，就說是第四次工業(yè)革命呢？前三次工業(yè)革命是什么呢？我相信第一次是蒸汽機(jī)，第二次是電力第三次是信息技術(shù)。三次工業(yè)革命，都讓世界的文明先進(jìn)程度，進(jìn)行了跨越式的提升。

室溫超導(dǎo)如何讓文明，經(jīng)歷跨越式的提升呢？其實(shí)有一個(gè)粗略的指標(biāo)，一個(gè)文明能夠利用的，能量越多，它的先進(jìn)程度就越高?？梢钥纯慈祟愡@，200年來，隨著文明的進(jìn)步能量的消耗多了多少，其實(shí)從全球變暖的速度，就能看出能量消耗的速度，也能推算出文明進(jìn)步的曲線。而超導(dǎo)就是在能源的利用效率上，能讓人類更上一層樓。

我們可以簡(jiǎn)單說幾個(gè)方面，第一，電力。我們現(xiàn)在用的電從發(fā)電廠出來的，都是交流電，甚至是高壓交流電。交流電是著名的發(fā)明家尼古拉·特斯拉的發(fā)明，當(dāng)時(shí)就有交流電和直流電之爭(zhēng)——愛迪生支持直流電，特斯拉推崇交流電。

當(dāng)時(shí)的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)很激烈，愛迪生為了宣交流電是多么危險(xiǎn)，他還向公眾展示用交流電電死一頭大象。那為什么交流電后來勝出了呢？就是因?yàn)槟茉葱?。我們的輸電線是金屬的，是有電阻的，而輸電過程會(huì)有大量的能量損耗。用交流電的目的，就是通過高電壓和電壓電流相位不同步的原理，使得輸電過程中的能量損失減小，這是特斯拉最偉大的貢獻(xiàn)。

但是如果室溫超導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了的話，我們真就可以不用交流電了，電壓也不用那么高了。這樣就會(huì)省下大量的電能，效率會(huì)有很大的提升，因?yàn)殡娮铻榱懔?，它沒有熱損耗。

再比方說電車，如果電車?yán)锏碾娏鬏斔投紦Q成超導(dǎo)的，那么有人算過電車的續(xù)航里程可能就是現(xiàn)在的10倍。這是很宏觀的方面，微觀的方面，例如芯片。芯片越做越小，但是越小的芯片散熱就越是問題，如果用超導(dǎo)材料做芯片散熱問題一舉解決，甚至芯片都不發(fā)熱了。

并且超導(dǎo)材料不光是個(gè)導(dǎo)電性問題，它的量子力學(xué)屬性，也非常的奇特。利用超導(dǎo)材料的量子力學(xué)屬性，我們可以更好地去制造量子計(jì)算機(jī)。這就是從根本上提升人類的計(jì)算能力，再結(jié)合現(xiàn)在如火如荼的AI技術(shù)，那更加是如虎添翼了！

其他方面，超導(dǎo)除了導(dǎo)電性好，量子力學(xué)屬性可以利用它還有很好的磁屬性，開頭我們就說了超導(dǎo)都抗磁，并且是完全抗磁性，也就是磁場(chǎng)是無法進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部的。

也就是把超導(dǎo)體放在磁場(chǎng)里面，它會(huì)對(duì)磁場(chǎng)天然形成一種排斥力，這種排斥力，就可以用來做磁懸浮。磁懸浮技術(shù)現(xiàn)在不是沒有，但現(xiàn)在的實(shí)現(xiàn)方案需要大量的能源，因?yàn)橐藶橹圃欤瑯O相斥的磁場(chǎng)。而如果有室溫超導(dǎo)材料，我們只要制造一個(gè)磁場(chǎng)就完事了，給列車撞上室溫超導(dǎo)，放在布滿磁場(chǎng)的鐵軌上，它就飄起來了。

所以室溫超導(dǎo)如果能做出來，并且以比較簡(jiǎn)單的方式做出來，并加以商用的話，它必將影響我們生活的方方面面。因?yàn)樗绊懙氖侨祟愇拿鞯讓拥尿?qū)動(dòng)力能源。

可以想想，室溫超導(dǎo)如果普及，我們普通人的生活，應(yīng)該會(huì)擁有更低的生活成本、更便捷的交通、更高效的信息技術(shù)以及更健康的生活環(huán)境，因?yàn)槟茉蠢眯噬先チ?，碳排放就減少了。

如果可控核聚變?cè)俑愣ǖ脑挘B能源結(jié)構(gòu)中的碳排放都不存在了，那世界的文明發(fā)達(dá)程度，必將上一個(gè)新臺(tái)階！

超導(dǎo)不是沒有，早就有了，關(guān)鍵是溫度。如果溫度太低，你做一根一公里長(zhǎng)的導(dǎo)線，你還得做一個(gè)，一公里長(zhǎng)的大冰箱，去給它保持低溫，這成本顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

這就是為什么這次室溫超導(dǎo)，在全球范圍內(nèi)如此引人關(guān)注，因?yàn)樗赡軒淼挠绊?，?shí)在太大了！

好啦，對(duì)室溫超導(dǎo)的介紹，我大概就說到這里，如果你對(duì)這個(gè)領(lǐng)域感興趣，我推薦你可以去讀一讀我的科普書《六極物理》?；蛘咧苯釉谙柴R拉雅里聽我《六極物理》的課，里面詳細(xì)地從量子力學(xué)切入，一步步地告訴你，超導(dǎo)到底是怎么一回事兒。

我是嚴(yán)伯鈞，謝謝你的收聽！