袁嵐峰：韓科學家的“室溫超導”不靠譜
2023-08-30 05:16:14袁嵐峰
科學大觀園 2023年17期
袁嵐峰
關于最近韓國科學家宣稱的室溫常壓超導，我最基本的結論是，這些韓國科學家的數(shù)據(jù)不足以支撐自己的宣稱，實際上沒有任何零電阻的證據(jù)，他們錯把一個沒有超導的材料當成了超導。
（一）韓國科學家聲稱實現(xiàn)室溫超導？不靠譜
其實，熟悉科學界運行機制的人都知道，過度夸張的宣稱是常有的事，所以我對這事的初始相信程度就很低。用貝葉斯統(tǒng)計（Bayes statistics）的語言說，這事為真的先驗概率就很低。但畢竟室溫超導是關系全人類命運的重大課題，所以我還是認真去做了一些調研。令人哭笑不得的是，調研的結果是我對它的相信程度更低了，后驗概率幾乎降到了0。這群韓國科學家對超導似乎是徹頭徹尾的外行，他們的專業(yè)程度甚至還不如Dias。
首先，Dias好歹是在《自然》上通過評審正式發(fā)了篇論文，事前還在美國物理學會3月會議上作了個正式的學術報告，而這群韓國科學家呢？他們只是在學術預印本平臺arXiv上傳了一篇文章，預印本的意思就是沒有經過同行審稿的，只是他們自說自話，這可信度就完全不可同日而語了。
當然，在正式發(fā)表之前先發(fā)個預印本也很正常。但他們這篇預印本文章的標題直接就叫作《第一個室溫常壓超導體》（The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor）！再來看論文摘要第一句：“全世界第一次，我們成功地合成了室溫常壓超導體……”
學術界之外的人可能不知道這種表述方式有什么問題，但學術界之內的人都知道這是十分可笑的，因為它直接表現(xiàn)出這些人追求的是名利，而不是科學真理。如果是真正的科學家做出了一個真正重大的成果，他們的表述會盡量客觀、盡量克制，有一分證據(jù)說一分話，擔心說過頭造成反效果。例如他們會多用被動語態(tài)，多說“什么實驗證明了什么”，而不是說“我自己發(fā)現(xiàn)了什么，我是天下第一”。所以從這群韓國科學家的標題和第一句話，就讓我感覺他們的名利心簡直是躍然紙上，顯得十分民科。
再往下看，我又看到一個大雷，這個大雷可能是一般科技媒體記者很少了解的。他們宣稱自己的結論有多種實驗測量的支持，然后他們就堂而皇之給出了一番理論解釋，說這種超導來自Cu2+離子取代Pb2+離子導致的體積收縮，而不是來自外界因素如溫度和壓強。
外行可能會覺得，給出實驗現(xiàn)象之后再給個理論解釋，不是很正常嗎？但實際上，對室溫常壓超導來說這就很不正常。請注意，韓國人做的是室溫而且常壓的超導，這比Dias的室溫超導還要夸張，他宣稱的室溫超導還需要一萬個大氣壓的壓強呢，韓國科學家直接就是常壓。
這里有個重要的知識點，就是超導是有個理論解釋的，叫作BCS理論，以三位提出者Bardeen、Cooper和Schrieffer的姓氏首字母命名，他們因此獲得了1972年諾貝爾物理學獎。根據(jù)BCS理論的預測，常壓下的超導轉變溫度不能超過40 K，即-233℃，這個上限叫做麥克米蘭極限（McMillan limit）。
不過，后來確實發(fā)現(xiàn)了常壓下超過40 K的超導材料，如1986年發(fā)現(xiàn)的銅氧化物材料和2008年發(fā)現(xiàn)的鐵基超導材料。這說明它們超出了BCS理論的適用范圍，學術界因此把它們稱為高溫超導。這是一個十分好笑的術語，說到高溫普通人可能以為至少也得幾百攝氏度，但在超導領域里，高溫的意思是僅僅超過40 K！這個溫度甚至低于液氮的溫度77 K，更比室溫低得多。所以如果你知道在超導領域里高溫低于室溫，高溫超導早就實現(xiàn)了，室溫超導卻還沒有，你的知識水平就超過了90%的人！
如果你再知道高溫超導理論是個尚未解決的問題，你的知識水平就超過了99%的人。從20世紀80年代到現(xiàn)在，都快40年了，但高溫超導的理論仍然是五花八門，莫衷一是，沒有一個理論能夠真正解決問題。結果就是，整個超導領域都冷下去了，遠沒有80年代那么火熱了。
了解了這些背景，你就會知道，高溫超導的實驗和理論其實是兩回事。即使給出了一個高溫超導的實驗事實，對它的理論解釋也仍然是很不清楚的，需要很多人繼續(xù)努力很長時間。假如這群韓國人的室溫常壓超導結果是真的，那就意味著它超過了麥克米蘭極限，所以它一定不是BCS理論能夠解釋的，一定需要某種現(xiàn)在還不清楚的理論。
然而他們居然三言兩語就給出了一個解釋，這就是完全不對的，即使這個實驗現(xiàn)象是真的，也根本不應該有這樣簡單的理論解釋。這正說明他們其實是“不知道自己不知道”，處于一種無知者無畏的狀態(tài)。這種信心是一種典型的民科表現(xiàn)，就好像有人號稱自己能三言兩語證明哥德巴赫猜想或者解決可控核聚變，在內行看來這只能說明他們具有一種虛妄的信心，說明他們什么都不懂，連這些問題困難在哪里都不知道。這在心理學上叫作“達克效應”（Dunning-Kruger effect），即知識程度最低的人反而最自信，我感覺這群韓國科學家就是陷在里面了。
“請注意，韓國人做的是室溫而且常壓的超導，這比Dias的室溫超導還要夸張，他宣稱的室溫超導還需要一萬個大氣壓的壓強呢，韓國科學家直接就是常壓?！?/blockquote>
后面還有一個大雷。這群韓國科學家在arXiv上發(fā)了一篇預印本之后僅僅兩個半小時，居然又上傳了一篇預印本。這第二篇文章的標題倒是正常多了，叫作《Pb-Cu-PO4超導體在常溫常壓下實現(xiàn)懸浮及其機理》（Superconductor Pb10xCux（PO4）6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism），雖然也不是十分正常，但至少比第一篇的標題《第一個室溫常壓超導體》正常多了！在這篇文章里，他們展示了一個所謂超導磁懸浮的視頻（韓國造出世界首個室溫超導體？127℃實現(xiàn)超導，復現(xiàn)即鎖定諾獎），被許多人看作最強的證據(jù)。
但對內行來說，這反而是他們沒有實現(xiàn)超導的證據(jù)。因為如一個以色列特拉維夫大學科學家2011年的科普視頻所示（超導研究的歷史與挑戰(zhàn)：曾經輝煌，今路在何方？| 李濤），真正的超導磁懸浮是完全浮在空中，而不是像韓國的樣品這樣一側靠在底座上。更厲害的是，超導體還可以懸浮在磁體的下方！然后你把它推一下，它就會在下方懸空繞著磁體轉圈。韓國科學家的視頻，相形之下就像《西游記》第二回里菩提祖師說孫悟空，“這個算不得騰云，只算得爬云而已！”
（二）韓國科學家的室溫超導反轉了？完全沒有
最近，還有很多人在傳，說某某單位復現(xiàn)了韓國人的實驗結果、某人發(fā)了理論文章解釋這個材料為什么能超導等。其實仔細看看就會發(fā)現(xiàn)，都不出我上面解讀的這些范圍。這其中，我覺得我可以特別解讀一下那篇所謂解釋了超導的理論文章。因為這個理論剛好在我的知識范圍之內，而在中文互聯(lián)網上可能還沒有專業(yè)人士出來解讀，所以有不少誤解，以為它有多大的重要性。
此文的標題叫作《銅取代的鉛磷酸鹽磷灰石中相關孤立平坦能帶的起源》（Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite），基本內容是說作者（此文只有一位作者）做了密度泛函理論（density functional theory）計算，發(fā)現(xiàn)這種材料在費米能級具有相關的孤立平坦能帶，這是高溫超導材料的普遍信號。
這個計算很可能是正確的，但這個計算結果能說明的問題其實是很少的。密度泛函理論我讀博士的時候就整天用，它是目前最常用的電子結構計算方法之一。
然而專業(yè)人士明白，能帶是一種平均場近似的語言（平均場的意思是，假定對于一個電子而言，其他電子的影響可以描述成一個平均的場，而跟這些電子的瞬間位置無關，這樣就可以把各個電子的運動分開考慮）。跟平均場相對的叫作強關聯(lián)（即多個電子的運動互相關聯(lián)，不能把它們分開），強關聯(lián)會給計算增加極大的困難。超導是一種強關聯(lián)現(xiàn)象，而強關聯(lián)現(xiàn)象目前沒有精確的計算方法。
因此，用這種計算是不能可靠地預測超導的，最多只能說在這種近似理論下得到這種結果，是有利于出現(xiàn)超導的，但是不是真的超導，沒法算出來。這也正是我前面說的，高溫超導理論目前還沒建立起來，誰也不能單憑理論計算就確定某個材料能高溫超導。假如有這樣的理論，提出者早就得諾貝爾獎了。
而且別忘了，BCS理論的麥克米蘭極限仍然存在，這是個嚴格的理論。所以即使通過平均場計算預測某個材料可能有超導，也只能在超導轉變溫度低于40 K的時候做比較定量的預測。如果超過了40 K，仍然是理解不清的。所以，這篇理論文章的結果即使是正確的，意義也很有限。它離解釋室溫常壓超導的距離，就好比從預測某位孕婦可能要生了，到預測這位小朋友將來能得諾貝爾獎，那么大。
◎ 來源|新京報
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