第四节 超导体

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超导体

　　超导现象是1911年由荷兰人海克·卡默林·昂尼斯（1853～1926）发现的.几十年中，没有人能做出解释.在理论上让人信服的解释出现在半个世纪之后，即在1957年由物理学家约翰·巴丁（晶体管发明者之一）、利昂·库珀和约翰·施里弗宣布的 "BCS理论".电流是一种在金属离子，亦即带有多出的正电荷的原子周围流动的自由电子，电阻的产生是因为离子阻碍了电子的流动，而阻碍的原因又是由于原子本身的热振动以及它们在空间位置的不确定所造成的.

　　超导体最重要的特点是电流通过时电阻为零，有一些类型的金属（特别是钛、钒、铬、铁、镍），当将其置于特别低的温度下时，电流通过时的电阻就为零.在普通的导体中，大部分通过导体的电流由于电阻的原因变为热能，因而被"消耗"掉了.在超导体中，实际上没有阻力，这样，一旦接通电流，从理论上讲就永远不会中断.在一个用超导体制成的电磁体（一个线圈，电流从中通过时产生电磁场）所构成的电路中，从理论上讲只送入一次电流，就可以在电路内不停的流动，从而就能使电磁场持续不断.当然，实际上是存在损耗的，不可能实现这类"永动"，不能不去考虑必需的能源投入，以使超导体能保持其产生零电阻现象所需要的底温状态（即-269℃，比绝对零度高出4℃）.

　　然而，从80年代初开始，人们发现了新材料.这种新材料能够在越来越接近常温的条件下形成超导体.为在这些物质的基础上获得超导体，各国都正在进行各种研究.这种材料同传统材料的区别在于它不需要冷却系统.

　　在超导体中，电子一对一对结合构成了所谓的"库珀对"，它们中的每一对都以单个粒子的形式存在.这些粒子抱成一团流动，不顾及金属离子的阻力，好像是液体一样在流动.这样，事实上就中和了任何潜在的阻力因素.

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电阻消失了

　　1911年，世界物理学界引起一场不小的轰动：荷兰低温物理学家卡默林·昂尼斯发现，当水银降到绝对温度时，电阻突然消失了！

　　正常情况下，导体都有一定的电阻，不同导体的电阻大小不同.但是，导体的电阻为什么会在超低温时消失呢？这种奇异的超导现象就像令人费解的斯芬克斯之谜，立刻吸引了许多科学家进行研究.

　　近半个世纪过去了，超导现象仍然是物理学界一个富于神奇魅力的谜.1955年，在研究超导现象的队伍中，又增加了一支新生力量：美国伊利诺伊大学著名教授约翰·巴丁，和两位中青年博士利昂·库珀、罗伯特·施里弗组成协作小组，开始探索超导现象之谜.

　　"一旦我们揭开超导之谜，将超低温技术应用于生产当中，那么解决能源危机就大有希望了！"巴丁教授说，"不过，我很清楚，这是个难度很大的研究课题，仅凭我个人的力量是无法成功的，所以我想和你们二位携手共同探索."

　　"巴丁教授，我们很荣幸有机会聆听您的指教，并且成为您的助手."库珀和施里弗说.

　　于是，巴丁向两位年轻人介绍了40年来超导实验和理论的发展史，评述了成功和失败的经验教训.巴丁接着说：

　　"要揭示超导现象的本质，只有从微观方面着手研究才有希望.根据以往的经验，我认为，电阻消失的奥秘，主要在于电子和晶格原子的相互作用，而不是由于晶格原子对电子的作用消失了.所以，我们研究的关键在于弄清楚电子和品格原子是如何相互作用的."

　　原来，当导体中电子作定向运动时，形成了电流.而电流又受到晶格原子的吸引，发生了散射现象，就表现为对电流的阻碍作用，即电阻.

　　三位不同年龄的物理学家开始了卓有成效的合作.他们商定了研究计划，在各自的研究领域中辛勤地探索.每隔一段时间，他们就要聚在一起交流讨论，常常争得脸红耳赤.尽管巴丁教授久负盛名，年龄也比他们两人大了20多岁，但他绝不摆出长者的姿态.而是虚心地和两位年轻的博士平等相处，共同探讨.

　　一年过去了，这支三人小组的研究有了很大进展.有一天，库珀忽然想到，要是把金属导体中电子的运动变得抽象化，那么它们的物理图像不就更简洁了吗?这样研究起来也更容易.

　　"就拿两个电子来说，它们之间存在着库仑斥力.但是，因为晶格原子的存在，还有一种由品格引起的引力."库柏进一步抽象地阐释，"在这种间接的引力下，两个电子组成电子对，彼此相互耦合，参与共同的运动."

　　库珀提出的"电子束缚对"，又进一步推动了研究的深入.

　　1957年春，巴丁教授的研究小组已经进入了最后的攻坚阶段，他们还需要进行定量描述工作.

　　如何对超导现象进行科学的定量描述呢?施里弗苦苦地思索着.他知道，要科学地定量描述超导现象，关键在于确定定量描述的方法.

　　有一天、施里弗在百思不得其解之时，翻开了一位英国物理学家的著作.在著作中，施里弗忽然看到这么一句话：

　　"超导体是电子在宏观尺度上的量子结构，是某种平均动量的凝聚."

　　真是"踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫"!施里弗高兴地大叫起来：

　　"对，量子力学!"

　　事不宜迟.施里弗立刻采用量子力学的方法，写出描述这种凝聚态的波函数，称为超导体的基态波函数.

　　施里弗激动地把这个意外的收获告诉了巴丁，巴丁高兴地说："棒极了!这个波函数正是我们理论突破的关键!"

　　在接下来的几十天里，三位物理学家夜以继日地奋战着，终于成功地建立了一套科学完整的超导微观理论(简称"BCS理论")，它圆满地揭开了超导现象神秘的面纱.

　　1972年，64岁的巴丁教授、42岁的库珀博士和41岁的施里弗博士共同获得了该年度的诺贝尔物理学奖.而巴丁教授已是"梅开二度"，再次获得这份殊荣了.

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磁悬浮列车

　　世界上第一列磁悬浮列车将从日本东京"飞"到大阪，时速500公里，耗时60分钟.德国紧跟其后，准备在2005年将自己的磁悬浮列车投入运营.这种列车运行时，悬离地面10厘米，既安静舒适又利于环保，是未来型的火车.本刊将为读者揭开列车"悬浮"的秘密.

　　　　尽管我们还将磁悬浮列车的轨道称为"铁路"，但这两个字已经不够贴切了.就拿铁轨来说，实际上它已不复存在.轨道只剩下一条，而且也不能称其为"轨道"了，因为轮子并没有从上面滚过.事实上，连轮子也没有了."铁路"上行驶的这种超级列车没有传统意义上的牵引机车，它运行时并不接触地面，只是在离轨道10厘米的高度"飞行".

　　　　21世纪初，日本第一批豪华磁悬浮列车将投入运营.从日本东京到大阪500公里的旅途，一小时即可到达.从2005年开始，在汉堡和柏林之间旅行的人们将会乘坐同样的列车，体会同样的感受.能使这样的旅行成为可能的交通工具就是磁悬浮列车Maglev.经过了30多年（其中常常有间断）的开发之后，它终于在日本和德国问世了.

　　　　初见磁悬浮列车，人们都会以为它与传统意义上的高速列车没什么两样.但实际上它只是车厢类似意大利摆式列车或法国TGV列车，其余都是截然不同的.

半个世纪的纪录

　　今天说起来似乎有点不可思议，有谁想过意大利曾一度保持了铁道行车最高时速的世界纪录，然而这是千真万确的.1936年，布雷达工厂生产的ETR200型电动机车的运行时速达到了203公里，这是在波洛尼亚至米兰线的帕尔玛和皮亚琴察两个车站之间的行驶速度.
　　进入60年代，日本的高速列车"新干线"打破了时速为400公里的纪录，它的最高时速达到443公里，而且列车由司机驾驶.不管怎么说，这些仍然属于传统的具有车轮、电动机的火车.法国的TGV列车也属于这种传统式的有司机的火车，它打破了每小时500公里的纪录，而在1991年则达到了515公里的最高时速.目前列车时速的最高纪录是1997年12月由日本正在试制的超导磁悬浮列车创造的，该车没有司机，由无线电导航，时速达到了530公里.

　　尽管从表面上看，两种高速列车，传统的带车轮、由司机驾驶的列车和磁悬浮列车似乎很近似，但一旦过渡到载客商业运营情况就不同了.出于种种原因（行车中的安全性、噪音、列车摆动和振动等等……），带车轮的火车时速目前保持在每小时300公里，而磁悬浮列车巡回运行时速则会保持在500公里，略低于最高时速，这比涡轮螺旋桨飞机的时速低不了多少.

　　从1962年起，日本着手设计磁悬浮列车，利用磁极的吸引力或排斥力，将列车悬于轨道上方并产生动力，驱使列车前进.取消车轮可以带来一系列的好处，比如 提高时速，减少噪音、摇摆和震动，与空气撞击而产生的阻力也远远低于飞机，但问题是它需要大量的电力把重几十吨的列车从地面上撑起来.尽管车身离开地面只有几厘米，但准确地讲，一辆40吨磁悬浮列车与同等重量的传统列车相比，前者需要的电力要大40倍.

　　由于超导技术的发展，这个问题可说是大部分得到了解决.因为，利用超导原理能够消除线圈的电阻，所有输入该系统中的电力就能够被充分地利用，从而避免了浪费.

如何在磁体上"飞"和顺利旅行

　　日本的磁悬浮列车的关键部分是由两组超导电磁体构成的：一组安装在车厢的两边车轮架处，另一组安装在车厢下面.第一组同位于U字型"铁轨"两壁上的其他磁体相互作用，一旦步入此"轨道"列车就启动了.车轨的磁体产生一个与列车速度同步的电磁场，同时交替提供一种同车厢既吸引又排斥的力量，从而使车厢产生一种水平推力.第二组同连接在U字型铁轨底部的线圈发生相互作用，并由此产生垂直推力，使列车悬离地面.

　　列车的电磁体是用铌和钛合金制成的，为了保留超导体的特性，它们应当保持在-269℃的底温状态（比绝对零度高4度），置于液态氦中，由车上的低温系统保持底温.磁悬浮列车的悬浮原理远远比推动原理要复杂得多.事实上，列车应当准确地在离铁轨10厘米的高度上"飞".任何的偏差对于列车的稳定性都是很危险的.日本的铁路工程师们利用磁场解决了这个问题.在铁轨底端的磁体与车厢上的磁体是同一极性，这样，在它们之间总有排斥力.如有某种原因使得列车悬浮高于10厘米，也就意味着列车向轨道产生的磁场逐渐变弱的区域移去，从而它所得到的悬浮力减少，这样列车会又回落至10厘米的高度.相反，如果车厢太靠近铁轨，将遇到轨道磁场非常大的阻力，并得到较大的排斥力，这就使列车又能与铁轨保持正常距离.这样，就没必要去监控悬浮的距离了，像德国的远距离"特快列车"那样，在车厢与轨道之间有1厘米的最低误差限度，每次振动偏差上下不超过0.3毫米，左右不超过0.6毫米.日本磁悬浮列车的速度带来了另外一些问题：当两个方向开来的列车会车时可能发生什么情况呢？两列车会车时相对速度相当于1000公里，这就会产生潜伏着巨大危险的气流.所以目前只能 在一列车开过时让另一列车停下来.
更近似飞机

　　日本的磁悬浮列车与其说像传统的火车，还不如说更像飞机，大部分系统制造技术来源于航空学原理.

　　通风系统：保证车厢密闭，以防止列车进入隧道时由于气压的变化给耳朵带来不适.

　　向上开的拉门：经过研究后设计的车门，可保证旅客在车内有更大的空间和保持车厢的高度密闭.

　　制动器：主制动器是把列车的动能转化为供给电磁体的电力，是由圆盘型制动器和空气制动器以及外薄板结合成的一个整体.如打开外部的薄板将会增加列车（或飞机）气流的阻力.

　　平台和起落架：平台上装有超导磁体电机，要向全车厢传送由电磁产生的悬浮力和动力.磁悬浮列车还配备了铝合金起落装置，它的轮子露在车体外边，在列车低速行驶时，可支撑车厢.

　　超导电磁体：它能提供极强的磁场.在列车上安装的电磁体与在轨道上的线圈之间产生悬浮力以及前进和拐弯时所需的动力.

　　车厢：车厢是用铝和锂合金加工而成.根据航空学原理，减少列车重量，增加它的结构强度.第一辆镁合金列车在1991年的一次大火中彻底毁坏了，因为这种材料有极大的易燃性.
在真空中时速500公里

　　21世纪初，磁悬浮列车在铁路运输中（至少在日本、德国）将成为现实.但是现在在意大利，"传统"高速列车正在发生什么变化呢？这需要等待生态学家们对这些干线与环境的冲突做出的反应.这里的问题并没有很多地涉及到对基础设施的冲击或声音带来的危害（磁悬浮列车比传统列车更安静），而是涉及到比如说列车的车轨之间产生的巨大的电磁场问题.

　　为此，日本的磁悬浮列车为保护乘客安全将采用屏蔽车厢.这样，让列车完全在地下线路上行驶的设想日臻成熟.世界上还有一些设计人员正在研究隧道穿越瑞士的可行性，美国的另一种研究甚至设想用这种列车将东海岸同西海岸连接起来，当然，这还只是未来可能实现的设想.对此，现在还没有什么把握，这里不仅有技术的，也还有经济上的原因.磁悬浮列车线路价格昂贵（从汉堡到柏林，造价约58亿美元），相比之下，隧道的造价对整个工程造价的影响显得无足轻重.许多专家认为，磁悬浮列车正是因其在地下（真空中）线路上行驶，所以还是经济有效的.由于来自空气动力方面的阻力是零，客观上便可节约能源，安全性也大大地提高了（没有任何振动，没有由列车对开会车时风或气流引起的任何问题），并且几乎完全不与环境保护问题发生冲突.

　　位于维也纳附近拉克森堡的"系统应用分析研究所"的有关报告肯定了这一设想.该研究所的"头脑"之一意大利人切萨雷·马尔凯蒂在其研究报告中说明，磁悬浮列车在200公里以内运行所需时间不超过30分钟.这就可能满足经常要在两地之间往返的那些人的需求.马尔凯蒂先生还计算过从波恩到柏林的磁悬浮列车地下线路的造价，这个造价要远远低于德国迁都柏林的费用，如果建造一条磁悬浮列车线，那就等于修建了一个在地理上分开、然而却由悬浮列车连接起来的首都，从首都的这一边到另一边的旅行只需要一个半小时.从经济的角度来说，这个为未来下的赌注，现在已经可以说是稳操胜券了.

美国式的计划：超级列车的超级隧道

　　高速奔驰在管式隧道中的列车运输系统正在规划之中.由于吸入效应，压缩空气甚至喷气推进的作用，列车得以在管式隧道中高速运行.但这一规划一点都还没有实现.

　　如果此项计划能够实现，"列车"就可以节约大量的能源：同等的运输量，"飞行列车"的能源消耗只相当于飞机运输的2%或3%.这条干线将连接纽约和洛杉矶，中间经过达拉斯，建有去芝加哥或其他重要的贸易中心的支线.

排斥力使列车悬起来，吸引力则让它开动

　　悬浮的原理：列车上装有超导磁体，由于悬浮而在线圈上高速前进.这些线圈固定在铁路的底部，由于电磁感应，在线圈里产生电流，地面上线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总是保持相同，这样在线圈和电磁体之间就会一直存在排斥力，从而使列车悬浮起来.

　　前进的原理：在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体.由于它与列车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来.正如图2所显示的，列车前进是因为列车头部的电磁体（N极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（S极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥.根据车速，通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压.

21世纪，中国人能否乘上高速磁悬浮列车？

　　高速磁悬浮列车代表着21世纪地面高速交通技术发展的重要方向.在中国，在选择国外已成功运营30多年、时速300公里以上的轮轨系高速列车，还是选择时速500公里目前尚在实验阶段的磁悬浮列车问题上，争论已持续了多年，有关专家的意见分歧还是很大.

　　不过，中国科学家对磁悬浮列车的研究工作却已开展多年.