聊聊现在大热的常温超导

超导体的麦斯那效应，可以悬浮在磁场中，Cheva用AI创作

最近韩国一个科研小组曝了一个大新闻，声称他们已经发现了常温常压下的超导材料。如果是真的，那么这将是堪比原子弹的发明了。它的发现者等于说是预定了诺贝尔奖。常温常压下的超导材料，可以说是科学研究上的明珠了。一旦被证实，将会引起工业革命级别的社会变革。相对于时事新闻，我倒是更喜欢讨论科学和科技方面的话题，但是现代科学实在是太广博深奥了，也不可能什么事情都懂。于是去看了大量的相关的科普博主的文章和视频，恶补了一下关于超导的知识。

超导的概念其实还是比较简单的，因为电器早在上一代人的时候就已经很普遍了，人们对导体的概念也是非常的熟悉。各种导体和半导体已经成了我们收为各种生活用品的重要组成部分，但是普通导体都有一个特性，就是电阻。所谓导体就是其中有自由的电子，在电压的作用下，这些电子会像水流一样发生定向的流动。但是在一般的导体当中，除了自由流动的电子，还有由原子核和剩余核外电子组成的晶格结构。形象地说，流动的电子会撞击这些晶格，让它们发生振动，同时电子会损失掉一部分的能量。而原子的振动在宏观上的表现就是发热，所以由于电阻的存在，使得我们对能源的利用效率大大降低了。一个最切身的体会就是，当我们使用手机的时间比较长的时候，手机就会变得很烫。

而超导体的最明显的特性就是，它的电阻竟然可以为零。试想一下，如果真的存在常温常压下的超导体，对我们生活最直接的改善就是，如果用来制造类似手机设备，可以大大的提高电池能量的利用率，甚至可以做到充电一秒钟，使用一整年。而且手机再也不会发烫了。但超导体的用途远远不止这些，由于它可以通很大的电流而不发热，而大电流可以产生强磁场，那么像医院里那种昂贵的磁共振检查设备将变得非常的廉价和普遍，更多的疾病可以在早期被发现出来，拯救更多人的生命。

同时，超导体除了电阻为零之外，还附带一项更加奇异的特性，叫麦斯纳效应，也就是完全抗磁性，可以用来建造比现在的高铁要快得多的超导磁悬列车。而且在一些人类已经攻关了很长时间却无法取得进展的前沿科技领域，也会让很多问题任而解。比如量子计算机和可控核聚变。

那么究竟超导现象是怎么产生的呢?其实现在还没有一个完整的理论，比较好的理论叫BCS理论，但是它只能解释早期的那些在极低温度下发生超导的金属。这里班门弄，说说我自己的理解，简单来说，其实超导现象，是一种宏观的量子现象。量子现象之所以被称为量子，是因为在它的早期研究中所表现出来的形式，就是能量是一份一份传输的，而不像人们所认为那样是是连续的。

在二十世纪初，英国科学家卢瑟福通过粒子散射实验证明了原子的行星模型，也就是原子有一个很重很重的原子核，而电子则像太阳系的行星一样围绕着这个原子核旋转。但是当时因为还没有量子力学，这个模型虽然能够解释实验，但是却和当时的经典物理学有严重的冲突。如果电子在不停地旋转，那么它必然向外辐射电磁波，电磁波会带走电子的能量，那么电子离原子核的距离会越来越近，最后就撞到原子核上面，所以根据经典的物理学，原子是不可能稳定存在的。但是由原子构成的宇宙和世界已经存在了至少上百亿年了，这是一个明显的矛盾。后来波尔用量子力学做出来解释，他认为电子的能量并不是连续的，而是处于几个离散的能级上面，它只能在不同的能级之间跳跃，而这些能级当中有一个最低的能级，一旦到达能量最低的能级，那么它就不能再损失能量了，所以原子就能够稳定的存在。

而低温金属中之所以能够发生超导现象，其本质和这个是非常相似的。就像我前面说的，它是一种宏观的量子现象，涉及到更复杂的理论，也就是说在低温状态下，这些金属中的自由电子形成了一种叫做库珀对的结构，而大量的库珀对又发生了波色爱因斯坦凝聚，其实我也不懂这么深奥理论，但是简单来说，可以认为是大量的电子在波色爱因斯坦凝聚下面就可以共享一个能级，而在低温状态下，这个能级就是电子所处的最低能级。所以当这些电子在超导体中运动的时候，超导体的晶格也无法再使它们失去能量了，也就是没有阻力了，就表现为电阻为0。

不过根据这一BCS理论推导的话，要想产生超导现象，其温度是不能高于40K的，也就是只比绝对零度高40度。但是后来随着越来越多的超导材料的发现，这一界线被打破了，而那些新的超导材料主要是掺杂了特殊金属元素的陶瓷。这些新的陶瓷超导材料是如何产生超导现象的，现在还没有一个完善的理论，所以围绕着常温超导材料的研究，基本上就像是爱迪生发明白炽灯那样，用各种各样的材料和工艺漫无目的地尝试。因为新型的超导材料大都是各种陶瓷，所以它的研制过程就是在炉子中不断地烧制新型陶瓷。所以研究超导材料的人也被科学界戏称为烧炉工，而整个科研过程与其说是科研，倒更像是传说中的炼丹。

在人工智能领域，由于人们对神经网络的底层原理认识不够，所以将人工智能模型的训练过程也是通过尝试各种不同的超参数组合，然后再看效果。所以人们将人工智能模型的训练戏称为炼丹。与之相比，超导材料的研究就是名副其实的炼丹过程了。所以当这一次韩国研究人员公布了他们的实验报告之后，不光很多专业的研究机构加入到复现的行列中来，一些网红科普博主都开始自建炼丹炉，在网上直播复现过程，这也算是掀起了一波全民网络科普的高潮。