引領(lǐng)未知的凝聚態(tài)物理
對物質(zhì)的應用和認知改變了我們的生活，比如LED的發(fā)明。物質(zhì)科學(xué)實(shí)際上涉及了很多領(lǐng)域，物理學(xué)、化學(xué)等等。物理學(xué)一方面非常大，即研究非常大尺度上的物理現象，比如說(shuō)宇宙學(xué)；另一方面又非常小，研究物質(zhì)世界最小的、最根本的組成，這也是物理學(xué)的另一個(gè)分支——凝聚態(tài)物理。它的特點(diǎn)就是多，把很多東西放在一起，展現出非常不一樣的東西。這就是超導式物理的核心，核心對超導來(lái)說(shuō)就是集體的力量。
凝聚態(tài)物理包括三個(gè)方面。第一，測試新的物理概念。很多東西人類(lèi)是無(wú)法測量的，宇宙間的事情是不可控的，我們只能觀(guān)察，而不能真正地測試，但凝聚態(tài)物理的一個(gè)特點(diǎn)就是比較容易測試相對的物理概念。第二，優(yōu)化材料的物理性質(zhì)，這是一個(gè)應用。第三，發(fā)現新材料、新特性。凝聚態(tài)物理能發(fā)現一些由于人類(lèi)知識的局限性而沒(méi)有想到的新事物。
關(guān)于凝聚態(tài)物理優(yōu)化物質(zhì)的特點(diǎn)，也有很多的例子。比如從材料角度講，過(guò)去六七十年，是我們控制和優(yōu)化一種材料的過(guò)程——硅，這是產(chǎn)生信息革命的基礎。所以掌握一種材料及其特性，會(huì )產(chǎn)生極大的作用，還會(huì )產(chǎn)生意想不到的東西。再比如，有一種新材料——鉆石，鉆石除了漂亮之外還有很多其他性質(zhì)。2003年，美國一家石油公司偶然發(fā)現，石油中有很多非常小的鉆石，只有幾個(gè)原細胞大。我們研究發(fā)現，這種簡(jiǎn)單的小鉆石可以用來(lái)做電子材料，分子自組裝和分子醫學(xué)也可以用它做生物成像。此外，2016年我們以這種小鉆石為平臺，做了一個(gè)世界上最細的納米館，實(shí)現了用原子組成一條線(xiàn)。
超導的“凝聚力”
超導是凝聚態(tài)物理中一個(gè)非常有代表性的領(lǐng)域，超導研究涉及到了凝聚態(tài)物理的各個(gè)方面，包括測試新的概念、優(yōu)化材料的物理性質(zhì)以及發(fā)現新的特點(diǎn)。超導是什么呢？從表征上看，就是電阻為零。超導還有一個(gè)特點(diǎn)，就是抗磁性，人們將這種現象稱(chēng)之為“邁斯納效應”。人們用此原理可以制造超導列車(chē)和超導船，由于這些交通工具將在懸浮無(wú)摩擦狀態(tài)下運行，這將大大提高它們的速度和安靜性，并有效減少機械磨損。超導的核心原理是量子的凝聚，超導里面所有的電子都同心協(xié)力做一件事情，就是我們平時(shí)所說(shuō)的集體的力量。
但是要使電子聚在一起并不容易，這就是超導難的原因。而高溫超導更難，因為超導是在極低溫環(huán)境下被發(fā)現的。理論上，超導是一種人無(wú)法直接感知到的宏觀(guān)的量子現象，因此在超導被發(fā)現的前80年里，大家都認為這只是一個(gè)極低溫現象，是自然界的錯誤才讓我們看到了這個(gè)現象。
超導的研究意義在哪里呢？首先在于它本身是一種非常奇妙的現象，它有非常深刻的道理，即怎樣讓大家同心協(xié)力做一件事情。其次，在超導現象中有一種集體效應，用數學(xué)語(yǔ)言寫(xiě)下它們的組織原理，給我們帶來(lái)很多啟發(fā)，這是超導研究的一個(gè)比較深刻而又廣泛的應用。
超導具體應用在哪里呢？目前超導的應用主要集中在醫療領(lǐng)域，將來(lái)也會(huì )應用在交通領(lǐng)域。日本正在建設世界上首條城際超導磁懸浮高速鐵路，從東京至名古屋全程286公里，設計運行速度每小時(shí)505公里，預計2027年正式投入商業(yè)化運行。我相信日本先行以后，中國的高鐵也會(huì )再提高速度，完全可以改變國際高鐵市場(chǎng)格局。在能源領(lǐng)域，尤其是清潔能源的傳送方面，超導也是非常實(shí)用的。還有就是無(wú)線(xiàn)通訊，這是現在可以看得到的。量子計算也是未來(lái)非常重要的一個(gè)方向。我們其實(shí)并不清楚量子計算到底能否做得出來(lái)，但仍是一個(gè)非常重要的科學(xué)方向，而超導也是最有競爭力的手段之一，甚至可能是量子計算機的一條道路。
“硬骨頭”超導
可以看出，超導可以影響人類(lèi)生活的方方面面，但同時(shí)超導研究也是一塊硬骨頭。在物理學(xué)家當中，最聰明的阿爾伯特·愛(ài)因斯坦花了很多時(shí)間在超導研究上，卻始終沒(méi)有突破；還有一個(gè)非常著(zhù)名的物理學(xué)家沃納·卡爾·海森堡，曾用一個(gè)理論解釋超導。但當最后成功的超導理論出來(lái)以后，另外一位著(zhù)名的物理學(xué)家沃爾夫岡·泡利卻說(shuō)了這樣一句話(huà)：“我早就說(shuō)過(guò)沃納·卡爾·海森堡這個(gè)傻瓜的理論是完全不對的?！绷硗膺€有一位非常著(zhù)名的俄國物理學(xué)家列夫·達維多維奇·朗道，他在超導研究方面也沒(méi)有突破。近代物理學(xué)家、美國公認的天才理查德·菲利普斯·費曼也投入了很多時(shí)間專(zhuān)心研究超導，做了6年多也沒(méi)有文章發(fā)表。但并不是沒(méi)有人成功過(guò)，這些優(yōu)秀的物理學(xué)家都是因在超導研究的各個(gè)方向做出突出貢獻而獲得諾貝爾獎的，所以超導也是物理學(xué)當中獲得諾貝爾獎的一個(gè)分支。
超導發(fā)現的最初80年是一個(gè)非常緩慢的進(jìn)程。1911到1986年，超導溫度由水銀的4.2K提高到23.22K（K為開(kāi)爾文溫標，起點(diǎn)為絕對零度）。1986年1月發(fā)現鋇鑭銅氧化物超導溫度是30K，12月30日，又將這一紀錄刷新為40.2K。1987年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日發(fā)現了98K超導體。這是高溫超導體研究取得的巨大突破，使超導技術(shù)走向大規模應用。雖然直到今天超導應用還非常具有爭議性，但不可否認，超導是一個(gè)非常令人期待的領(lǐng)域。
超導定義文明下一站
人類(lèi)是通過(guò)物質(zhì)或材料來(lái)定義文明階段，我們經(jīng)歷了石器時(shí)代、青銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代。如果用一種材料來(lái)定義現在這個(gè)信息時(shí)代，最有影響的應該是“硅”。那么什么材料有潛力定義人類(lèi)文明的下一個(gè)階段？我認為如果能研究出室溫超導，是有可能影響整個(gè)人類(lèi)文明進(jìn)程的，它將影響到醫療、通訊、交通、能源、計算、信息等方方面面。
做一件事情，難并不重要，重要的是你做的必須是值得做的事情，這也是一代又一代物理學(xué)家前仆后繼攻克超導的原因，它的前程實(shí)在太重要了。那么室溫超導能實(shí)現嗎？超導的廣泛應用是否可以作為人類(lèi)文明新時(shí)代的標志？這些都是需要我們繼續深入研究，并且報以期待的。
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