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        鑒往知來說超導(dǎo)

        2023-08-01 14:01:31
        科學(xué)導(dǎo)報(bào) 2023年47期
        關(guān)鍵詞:科普物理時(shí)代

        3月7日,在拉斯維加斯舉行的美國物理學(xué)會(huì)三月會(huì)議上,美國羅切斯特大學(xué)的迪亞斯教授宣布發(fā)現(xiàn)了“近常壓室溫超導(dǎo)”材料,隨后又在《自然》雜志上發(fā)表了正式的學(xué)術(shù)論文,引發(fā)了科技界和公眾的廣泛興趣,已經(jīng)有很多新聞報(bào)道和評(píng)論文章,甚至出現(xiàn)了一些嘗試復(fù)現(xiàn)其工作的科學(xué)報(bào)告。

        什么是超導(dǎo)?室溫超導(dǎo)有什么重要性?迪亞斯的新發(fā)現(xiàn)到底有多重要?如果你不是專業(yè)人士,又對(duì)這些問題感興趣,就可以讀一讀羅會(huì)仟的科普書《超導(dǎo)“小時(shí)代”:超導(dǎo)的前世、今生和未來》(以下簡稱《超導(dǎo)“小時(shí)代”》),了解超導(dǎo)的歷史,學(xué)習(xí)一些超導(dǎo)的基礎(chǔ)知識(shí)。至于說這個(gè)熱點(diǎn)新聞到底是茶杯里的風(fēng)暴,還是革命前夜的疾風(fēng)驟雨?請(qǐng)你先自己判斷一下。真的假不了,假的真不了。最多只要幾個(gè)月,我們肯定就會(huì)知道真相了。

        超導(dǎo)就是超導(dǎo)電性,指的是一些材料在低溫下具有非常特殊的性質(zhì):它們傳輸電流的時(shí)候沒有任何阻力,不會(huì)發(fā)熱,也就不會(huì)浪費(fèi)能量。超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于100多年前,包含了豐富的物理內(nèi)容,具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景,吸引了許多科學(xué)家和工程師的關(guān)注。近年來,許多有關(guān)的應(yīng)用逐漸進(jìn)入公眾的視野,越來越多的人開始關(guān)心超導(dǎo)。

        《超導(dǎo)“小時(shí)代”》一書的作者羅會(huì)仟是中科院物理研究所研究員。正如副標(biāo)題“超導(dǎo)的前世、今生和未來”所示,本書全面介紹了超導(dǎo)的歷史和現(xiàn)狀,并對(duì)未來作出一些展望。

        我跟會(huì)仟是老朋友了,因?yàn)槲覀兗仁歉阄锢硌芯康拇笸?,也是?duì)科普感興趣并做了些相關(guān)工作的科普愛好者。這幾天,我把這本書又讀了一遍,有了更多收獲?!冻瑢?dǎo)“小時(shí)代”》出版不久,為什么要說“又讀了一遍”?因?yàn)槲椅辶昵熬驮凇段锢怼冯s志上、在他的博客里讀過其中大部分內(nèi)容。

        那時(shí)候,他差不多每個(gè)月都會(huì)寫一篇關(guān)于超導(dǎo)的科普文章,以通俗易懂的方式介紹超導(dǎo)的基本知識(shí)、發(fā)展歷程和前沿進(jìn)展。當(dāng)時(shí)他應(yīng)該就有將來匯集出版的計(jì)劃,現(xiàn)在這本書的內(nèi)容基本上依照當(dāng)初文章的排序,并且保持了以前的特色,比如說,全書一個(gè)公式也沒有,很有科普書籍的樣子,但是有很多參考文獻(xiàn),這又是科學(xué)論文的范兒。不同的是,比此前我看的增加了一些內(nèi)容,如圖片增加了很多,有些還是重新繪制的。

        羅會(huì)仟在超導(dǎo)物理領(lǐng)域?qū)W習(xí)和工作差不多有20年了。從作者“自序”里,可以了解到他和超導(dǎo)的關(guān)系經(jīng)歷了三個(gè)階段,即大學(xué)時(shí)為超導(dǎo)著迷、讀研時(shí)與超導(dǎo)結(jié)緣、工作后和超導(dǎo)“相戀”。他幸運(yùn)地趕上了鐵基超導(dǎo)的研究熱潮,十幾年來發(fā)表了上百篇高水平的研究論文。

        他對(duì)超導(dǎo)的感情很深,“后記”里說這本書的內(nèi)容構(gòu)思開始于2009年,動(dòng)筆于2015年,用了3年時(shí)間完成初稿,又用了3年才修改完畢,以書的形式和大家見面。

        以前的中學(xué)物理對(duì)超導(dǎo)的介紹是一帶而過,只提到它沒有電阻,但是要在很低的溫度下工作;現(xiàn)在的中學(xué)物理會(huì)提及一些應(yīng)用,科普文章里會(huì)講到科學(xué)家因超導(dǎo)研究得過幾次諾貝爾獎(jiǎng),但是講得都很零散。

        本書第一章是《啟蒙時(shí)代》,作者從遠(yuǎn)古的神話講到科學(xué)的萌芽,從中國和古希臘對(duì)電和磁的最早觀察,講到現(xiàn)代西方科學(xué)發(fā)現(xiàn)電和磁的奧秘,可以讓讀者大致了解與超導(dǎo)有關(guān)的科學(xué)歷史,即超導(dǎo)的“前生”。

        第二章是《金石時(shí)代》,介紹了低溫技術(shù)的發(fā)展、超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和超導(dǎo)理論的建立;從昂尼斯把氦氣液化并發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)電性,講到超導(dǎo)體的完全抗磁性和宏觀量子干涉效應(yīng);從幾個(gè)成功的唯象理論講到諸多失敗的理論嘗試,其中的參與者不乏愛因斯坦、玻爾、海森堡和費(fèi)曼這樣的大科學(xué)家,最后迎來了巴丁、庫珀和施隸弗的成功理論(BCS超導(dǎo)微觀理論)。

        這兩章的內(nèi)容寫得通俗易懂,感興趣的中學(xué)生也可以理解。但有些細(xì)節(jié)我也是第一次知道,比如說,愛因斯坦、埃倫費(fèi)斯特、朗之萬和外斯等著名物理學(xué)家和昂尼斯的交往很密切,有一張照片顯示他們一起在昂尼斯的家里討論問題,小黑板上似乎還寫著量子力學(xué)的公式。

        我比會(huì)仟虛長幾歲,也跟超導(dǎo)有些瓜葛。我參加過1987年的全國中學(xué)生物理競賽,有一道題我現(xiàn)在還記得:

        “近年來,人們制成了高轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)材料,其中一種成分是釔、鋇、( )、( )四種元素,據(jù)報(bào)道,我國研制的這類超導(dǎo)材料的零電阻溫度已經(jīng)達(dá)到( )K左右。在這類超導(dǎo)材料出現(xiàn)以前,超導(dǎo)材料的零電阻溫度只達(dá)到( )左右?!?/p>

        這是我首次聽說高溫超導(dǎo),中國科學(xué)家在超導(dǎo)研究的舞臺(tái)上引起了世界的關(guān)注。這部分內(nèi)容出現(xiàn)在第四章《黑銅時(shí)代》,里面不僅介紹了柏諾茲和繆勒發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)材料的歷程,這其中包括艱苦的探索和輕松的獲獎(jiǎng)——“成如容易卻艱辛”,還講了競爭激烈、燃遍全世界的高溫超導(dǎo)研究熱潮,不僅有許多參與者的情況,還重新繪制了一些當(dāng)年的數(shù)據(jù)圖片,以及物理學(xué)家、中科院院士趙忠賢在美國物理年會(huì)上作大會(huì)報(bào)告后回家騎三輪車?yán)涓C煤的照片。

        這些內(nèi)容和第三章《青木時(shí)代》里介紹的各種奇形怪狀的超導(dǎo)材料與千奇百怪的物理性質(zhì),我多少知道一些,因?yàn)槲遗銮稍谥袊萍即髮W(xué)物理系低溫物理專業(yè)學(xué)習(xí)過一年。我覺得任何對(duì)此感興趣的大學(xué)生都可以理解這兩章的大部分內(nèi)容,即使是中學(xué)生也可以理解許多,但是其中也有很多我初次了解的內(nèi)容,以及一些我現(xiàn)在也不大看得懂的部分。

        我自己不研究超導(dǎo),但是2008年出現(xiàn)鐵基超導(dǎo)研究的熱潮,我的一些同事和朋友從事相關(guān)研究,我也在會(huì)議上聽到過許多故事。

        當(dāng)然,羅會(huì)仟有親身經(jīng)歷,他在第五章《白鐵時(shí)代》介紹得很全面,從中可以看到很多新知識(shí),看到我國許多科學(xué)家作出的貢獻(xiàn)。我們自然也會(huì)問:我國的超導(dǎo)研究力量這么強(qiáng),但為什么最早發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)的是日本科學(xué)家細(xì)野秀雄?答案在書中可以找到。

        需要提醒讀者,這一章有些過于前沿,一些圖片似乎取自學(xué)術(shù)文章或者是綜述性的學(xué)術(shù)文章,遇到看不懂的部分,可以考慮像我一樣直接跳過去。

        從1911年昂尼斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象開始,超導(dǎo)研究有100多年歷史了,諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)已5次花落相關(guān)研究成果,但是超導(dǎo)研究依然長盛不衰,室溫超導(dǎo)的夢(mèng)想仍然沒有實(shí)現(xiàn)。

        最后一章《云夢(mèng)時(shí)代》則介紹了當(dāng)前研究的最新進(jìn)展,包括“壓力對(duì)超導(dǎo)的調(diào)控”——2020年在《自然》雜志上發(fā)表的一篇文章聲稱,在高壓條件下實(shí)現(xiàn)了15攝氏度的超導(dǎo)電性。超導(dǎo)的研究仍然大有可為。

        以上只是一些浮光掠影的介紹,這本書里還有很多有趣的內(nèi)容。比如說,有趣的演示(磁懸浮的青蛙、“飛毯”上的老鼠)、扎實(shí)的應(yīng)用(醫(yī)院里的核磁共振、無損耗輸電的高溫超導(dǎo)線纜)、先進(jìn)的理念(超導(dǎo)量子計(jì)算、超導(dǎo)太赫茲系統(tǒng)),甚至還有很多宣稱實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)電性的烏龍事件——這個(gè)很有趣,我就不“劇透”了。

        總之,這是一本很有趣的科普書,任何關(guān)心超導(dǎo)的人,都可以看一看。無論是中學(xué)生還是大學(xué)生,無論是專業(yè)人士還是普通讀者,都會(huì)有所收獲,且每個(gè)人的收獲可能各不相同。即使你是打算從事超導(dǎo)研究工作的研究生,也可以從中獲益,也許收獲更大——因?yàn)闀械囊恍﹥?nèi)容簡直就是來自科學(xué)前沿的現(xiàn)場(chǎng)報(bào)道。

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