引領(lǐng)未知的凝聚態(tài)物理

        對(duì)物質(zhì)的應(yīng)用和認(rèn)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(xiàn)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(xiàn)出非常不一樣的東西,。這就是超導(dǎo)式物理的核心,，核心對(duì)超導(dǎo)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(cè)試新的物理概念。很多東西人類(lèi)是無(wú)法測(cè)量的,，宇宙間的事情是不可控的,，我們只能觀察,，而不能真正地測(cè)試，但凝聚態(tài)物理的一個(gè)特點(diǎn)就是比較容易測(cè)試相對(duì)的物理概念,。第二,，優(yōu)化材料的物理性質(zhì)，這是一個(gè)應(yīng)用,。第三,，發(fā)現(xiàn)新材料、新特性,。凝聚態(tài)物理能發(fā)現(xiàn)一些由于人類(lèi)知識(shí)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(chǔ),。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(guó)一家石油公司偶然發(fā)現(xiàn),，石油中有很多非常小的鉆石,，只有幾個(gè)原細(xì)胞大。我們研究發(fā)現(xiàn),，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(yī)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(tái),，做了一個(gè)世界上最細(xì)的納米館，實(shí)現(xiàn)了用原子組成一條線(xiàn),。

超導(dǎo)的“凝聚力”

        超導(dǎo)是凝聚態(tài)物理中一個(gè)非常有代表性的領(lǐng)域,，超導(dǎo)研究涉及到了凝聚態(tài)物理的各個(gè)方面，包括測(cè)試新的概念,、優(yōu)化材料的物理性質(zhì)以及發(fā)現(xiàn)新的特點(diǎn),。超導(dǎo)是什么呢？從表征上看,，就是電阻為零,。超導(dǎo)還有一個(gè)特點(diǎn),，就是抗磁性，人們將這種現(xiàn)象稱(chēng)之為“邁斯納效應(yīng)”,。人們用此原理可以制造超導(dǎo)列車(chē)和超導(dǎo)船,，由于這些交通工具將在懸浮無(wú)摩擦狀態(tài)下運(yùn)行，這將大大提高它們的速度和安靜性,，并有效減少機(jī)械磨損,。超導(dǎo)的核心原理是量子的凝聚，超導(dǎo)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(dǎo)難的原因,。而高溫超導(dǎo)更難,，因?yàn)槌瑢?dǎo)是在極低溫環(huán)境下被發(fā)現(xiàn)的。理論上,，超導(dǎo)是一種人無(wú)法直接感知到的宏觀的量子現(xiàn)象,，因此在超導(dǎo)被發(fā)現(xiàn)的前80年里，大家都認(rèn)為這只是一個(gè)極低溫現(xiàn)象,，是自然界的錯(cuò)誤才讓我們看到了這個(gè)現(xiàn)象,。

        超導(dǎo)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(xiàn)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(dǎo)現(xiàn)象中有一種集體效應(yīng),，用數(shù)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(dǎo)研究的一個(gè)比較深刻而又廣泛的應(yīng)用。

        超導(dǎo)具體應(yīng)用在哪里呢,？目前超導(dǎo)的應(yīng)用主要集中在醫(yī)療領(lǐng)域,，將來(lái)也會(huì)應(yīng)用在交通領(lǐng)域。日本正在建設(shè)世界上首條城際超導(dǎo)磁懸浮高速鐵路,，從東京至名古屋全程286公里,，設(shè)計(jì)運(yùn)行速度每小時(shí)505公里，預(yù)計(jì)2027年正式投入商業(yè)化運(yùn)行,。我相信日本先行以后,，中國(guó)的高鐵也會(huì)再提高速度，完全可以改變國(guó)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(dǎo)也是非常實(shí)用的。還有就是無(wú)線(xiàn)通訊,，這是現(xiàn)在可以看得到的,。量子計(jì)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(jì)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(dǎo)也是最有競(jìng)爭(zhēng)力的手段之一，甚至可能是量子計(jì)算機(jī)的一條道路,。

“硬骨頭”超導(dǎo)

        可以看出,，超導(dǎo)可以影響人類(lèi)生活的方方面面，但同時(shí)超導(dǎo)研究也是一塊硬骨頭,。在物理學(xué)家當(dāng)中,，最聰明的阿爾伯特·愛(ài)因斯坦花了很多時(shí)間在超導(dǎo)研究上，卻始終沒(méi)有突破,；還有一個(gè)非常著名的物理學(xué)家沃納·卡爾·海森堡,，曾用一個(gè)理論解釋超導(dǎo)。但當(dāng)最后成功的超導(dǎo)理論出來(lái)以后,，另外一位著名的物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇麉s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(duì)的?！绷硗膺€有一位非常著名的俄國(guó)物理學(xué)家列夫·達(dá)維多維奇·朗道,，他在超導(dǎo)研究方面也沒(méi)有突破。近代物理學(xué)家,、美國(guó)公認(rèn)的天才理查德·菲利普斯·費(fèi)曼也投入了很多時(shí)間專(zhuān)心研究超導(dǎo),，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(dǎo)研究的各個(gè)方向做出突出貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾獎(jiǎng)的,，所以超導(dǎo)也是物理學(xué)當(dāng)中獲得諾貝爾獎(jiǎng)的一個(gè)分支。

        超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)的最初80年是一個(gè)非常緩慢的進(jìn)程,。1911到1986年,，超導(dǎo)溫度由水銀的4.2K提高到23.22K（K為開(kāi)爾文溫標(biāo)，起點(diǎn)為絕對(duì)零度）,。1986年1月發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物超導(dǎo)溫度是30K,，12月30日，又將這一紀(jì)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(xiàn)了98K超導(dǎo)體。這是高溫超導(dǎo)體研究取得的巨大突破,，使超導(dǎo)技術(shù)走向大規(guī)模應(yīng)用,。雖然直到今天超導(dǎo)應(yīng)用還非常具有爭(zhēng)議性，但不可否認(rèn),，超導(dǎo)是一個(gè)非常令人期待的領(lǐng)域,。

超導(dǎo)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(xiàn)在這個(gè)信息時(shí)代，最有影響的應(yīng)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(rèn)為如果能研究出室溫超導(dǎo)，是有可能影響整個(gè)人類(lèi)文明進(jìn)程的,，它將影響到醫(yī)療,、通訊、交通,、能源,、計(jì)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(dǎo)的原因,，它的前程實(shí)在太重要了。那么室溫超導(dǎo)能實(shí)現(xiàn)嗎,？超導(dǎo)的廣泛應(yīng)用是否可以作為人類(lèi)文明新時(shí)代的標(biāo)志,？這些都是需要我們繼續(xù)深入研究，并且報(bào)以期待的,。