全新的电气时代

在翁纳斯的时代，超导只能是实验室里的新奇玩意，虽然在工程技术上的应用前景无限广阔，但是获得超导要求的温度太低了，只有用液体氦才能达到如此低的温度。氦气在空气中含量很少，在一升空气里大约只有 5 立方毫米的氦气，而且大气中的氦气还在不断地减少，逃到太空中去。这是由于它太轻，地球的引力已经不足留住它，但是氦的用途又很多。例如：制造探空气球或飞艇，就要使用大量的氦气。虽然氢气比氦气轻，但是氢气“脾气” 不好，易燃易爆，而氦气则是惰性气体，用在气球或飞艇上十分安全，另外由于液态氦是世界上温度最低的物质，所以在航天、气象等方面还有许多用途。

空气中最多的气体是氮气，占空气总量的 78％。液态氮的温度比液态氦要高 70 多度，是零下 196 摄氏度。当然，水银和铅在这种温度下不会呈现超导现象。会不会有一种什么物质能在液态氮的温度下就呈现超导现象呢。如果有，就可以大大降低致冷所需的费用，节省稀有的氦气。

于是各国科学家开展了一场像大海捞针一样的实验。这和爱迪生寻找能做灯丝的物质类似，不过现在不是一个人做，而是世界性的，世界上约有 260 个实验小组参加。

开始他们发现有 28 种金属在低温下能变成超导体，不过所需的温度都与翁纳斯发现的水银超导所需的温度差不多一样的低。后来，科学家又想到合金及化合物来试一下，发现了数干种物质有超导性。

由于超导现象出现的温度很低，物理学家使用开氏温标来记录温度。我们已经知道，这是科学家开尔文提出的，开氏温标的零度叫绝对零度，相当于零下 273.18 摄氏度。开氏温标和摄氏温标的温度间隔是一样的，开氏温标在数字后面用一个“K”字表示，而摄氏温标用℃来表示。为了使读者习惯开氏温标，我们在文中同时也注出它的摄氏温标。

从 1911 年到 1973 年，在这 60 多年间超导临界转变温度的提高速度极慢。仅从 2.3K（—270.9℃）提高到 23.2K（—250℃），平均每年只有 0.3 度。温度的爬升就像一场艰苦的登山竞赛。在宁静的实验室里虽然没有风暴也没有雪崩，但是其困难程度比登山更难，因为前面完全没有路，要靠自己去开创。

功夫不负苦心人，1986 年两位青年超导物理学家作出了重大突破，一下子把超导温度提高了十几度。他们中间的一位是出生在联邦德国的柏诺兹，另一位是瑞士物理学家缪勒。柏诺兹比缪勒小 23 岁，但是他们是亲密无间的研究伙伴。他们先尝试了一些金属氧化物，但均没有发现超导电性的迹象。后来，柏诺兹在一家杂志上看到了法国卡昂大学的化学家米歇尔等人的一篇论文，里面谈到有关镧、钡、铜氧化物的研究成果。柏诺兹以他那特有的洞察力发现这篇论文里有“真金”。于是他和缪勒一起深入地研究这些材料来。

超导的科研工作是十分单调和枯燥的，科学家在实验室里，首先要自己制备样品，然后放在低温下进行实验。在实验室中他们夜以继日的工作着。先把镧、钡和铜的硝酸盐，用水溶液沉淀的方法得到沉淀物，然后把它放在900 摄氏度的炉子里进行加热分解。还要用压力机压成片状。最后放在 900 摄氏度的炉子里烧结。这样就制成了一个陶瓷样品。再把样品放在低温环境下进行实验。测定各种数据。

我特别把这个过程介绍出来，是为了让小读者知道什么是科研工作。它很艰苦，但也不神秘。现在有的中学生也在进行这样的实验，参加了超导的探索行列。

经过三年的艰苦努力，突破的时刻终于到来了，柏诺兹在回忆的时候说： “每当我把仪器安装好时，我都预感要发生什么令人激动的事，但却什么也没有发生，直到这一次。”

这一次成功了。

但是他们对自己的重大的发现非常谨慎，他们再三核对了实验结果。后来决定在一个不太著名的德文《物理学杂志》上发表，其目的是并不希望太令人震惊。因为当时宣称自己发现新超导物质的虚假论文比比皆是。他们又继续进行了几个月的测量，才在 1986 年 10 月 22 日将另一篇论文送到《欧洲物理学通讯》发表。

这次可真的引起了轰动，他们一举把超导临界转变温度提高了十几度，从 23.2K 提高到 35K（—238.2℃），打破了过去几十年在超导研究上的万马齐暗的沉闷气氛，引发了世界性范围的超导研究热潮，日本科学家立即用实验证实了他们的结果。

1987 年，瑞士皇家科学院宣布，柏诺兹和缪勒“由于他们在陶瓷超导材

料的发现中的重要突破”而荣获 1987 年的诺贝尔物理学奖。

世界上有许许多多的科学奖，但是诺贝尔奖金的权威最高，为了慎重，诺贝尔奖金通常是在科学家做出重大贡献数年甚至数十年以后，在成果得到广泛承认以后，才予以颁发。但是，这一次，柏诺兹和缪勒仅在他们发现的第二年，就获得了诺贝尔物理学奖，这在诺贝尔物理学奖的历史上是绝无仅有的。

对超导有特殊贡献的人还有许多人，其中有一位是华裔美籍物理学家朱经武。朱经武出生在我国湖南省，不久以后，他就随家人一起去台湾，并在台湾长大成人。1962 年他从台湾的成功大学毕业，获学士学位。毕业后，朱经武先是在台湾空军中当了两年少尉。1963 年去美国求学，1968 年获博士学位。在名师的指导下与超导物理结下了不解之缘。从 1970 年起朱经武到休斯顿担任了物理教授一直到现在，他始终没有离开过低温物理学。

柏诺兹和缪勒的论文发表后，朱经武立即相信这篇论文的真实性。因为当时他也在进行这样的研究工作。一开始他也没有注意到他们用德文发表的论文。在柏诺兹和缪勒工作的基础上，他用加压的办法使超导临界转变温度达到 52.5K（—220.7℃），上了一个台阶。

1986 年 12 月 26 日从中国科学院物理研究所又传来喜讯。我国物理学家赵忠贤教授等人在朱经武的基础上，把超导温度又提高到 70K（—203.2℃），再上一个台阶，这个温度已经非常接近液态氮—196℃的温度。

他们在做实验的时候，发现一种奇怪的现象，当使用纯度不太纯的原料的时候，反倒能提高超导转换温度，这说明不纯的物质中一定含有一种未知的能把超导的温度提高的物质，于是他们在试验物质中故意增加了一些新的稀土物质。此时美国的朱经武已经再次把超导的温度提高到 90K（—183.2

℃）。他们的方法正是赵忠贤等使用的那种方法，从而使赵忠贤和他的合作者确信已经把握住了进入成功之门的钥匙。

1987 年 2 月 19 日上午，中国科学院物理所的第一块预期的超导样品制

成了，他们又继续奋战到 2 月 20 日凌晨 2 点，进一步的实验完全肯定了这一

结果。他们的样品零电阻在 78.5K，起始临界转变温度 100K（—173.2℃）以上。这就是说，他们发现了使用液态氮就可以呈现电阻为零的超导物质。2 月 21 日《科学通报》接受了他们的论文。他们又连续工作了 48 个小时，2

月月 23 日又制出了第二批样品。这是一个重大的突破。

赵忠贤教授出生在我国辽宁省新民县，中学是在辽宁省阜新度过的。1959 年他以优秀的成绩考入了中国科技大学在物理系就读。他对低温物理有浓厚的兴趣。

由于赵忠贤教授在超导研究方面的出色的工作，他获得 1987 年第三世界科学院的物理奖，并成为第三世界科学院的院士。

在此期间美国、日本国的科学家也取得了可喜的成绩。

人们相信在不久的将来，一定发现一种能在常温条件下呈现超导的材料，到那时候，我们电气时代就会出现全新的面貌。

正当科学家在实验室里全力寻找新型的超导材料的时候，工程技术人员已经开始把它应用到实际中去了。一种被称为“子弹列车”的磁悬浮列车已经在试验之中了。

当我们把两个相同的磁极靠近的时候，两个磁极会相互排斥，这就是磁悬浮列车的原理。但是，要把一个几十吨重的列车用磁力悬浮在铁轨的上面却不是一件容易的事。用天然磁石和用永久磁铁都没有那么强大的磁力，可是当电流通过有电阻的导线时，会产生大量的热，甚至会熔断铜线。如今有了超导线圈，问题解决了。车上的电磁铁是用超导体合金制作的，放在车体下部的两侧，可以使车体浮起 10 个厘米左右高。由于悬浮列车和地面之间完

全没有摩擦力，所以最高时速可以达到每小时 500 公里。目前这种列车还在实验阶段，不久的将来豪华、舒适、快捷的磁浮列车就会代替现在的普通列车了。

电磁船是超导在交通运输上的另一个应用。我们知道，奥斯特发现了电流的磁效应以后，安培立即研究了通电导线在磁场中受力的规律。

美国一位叫赖斯的博士根据这个原理提出用电磁力推动船只前进的设想。

例如，在船上安上一块强大的马蹄形电磁铁（如图所示），把海水当做实验中的铜导线，给它通以电流，让海水在磁场的作用下向后喷出，产生的反推力就会使船前进。

1966 年美国综合电机公司根据赖斯的设想首次制成了电磁推进船的模

型船。这个船像一个玩具，行走缓慢而且耗电极高。但是到了 1979 年日本用

超导线圈制成了全长 3.6 米重 700 公斤的，电磁船可以以每秒 1 米的速度前进，完全没有振动和噪声。这预示了船用动力的革命。电磁船省去了螺旋桨和发动机，燃料可以节省一半，因此被人誉为“21 世纪的船”。

目前正在制造一艘 150 吨实用的超导电磁船，各项工作正在紧张地进行。

超导给我们带来的益处不仅仅是在运输、发电等方面，在天体物理中利用超导理论的约瑟夫森效应制成的超导磁力仪比普通的最灵敏的磁强计还要灵敏万倍以上。利用它可以检测来自遥远星球的极弱的微波信号。在生物、医学、古地球学、探矿方面超导也有重要应用。

新一代的计算机——约瑟夫森超导计算机也已研制出来，它比普通的半导体器件制成的计算机运算速度快 10—20 倍，更优越的是消耗的能量要小 1

万倍，体积小，集成度高。

约瑟夫森是英国科学家，在 33 岁时因提出约瑟夫森效应获得诺贝尔奖。

而发表论文时年仅 22 岁是剑桥大学的一名攻读博士学位的学生，真是有志不在年高。他发表在《物理快报》上的论文很短，只有两页，又没有名气，被一些行家怀疑，但是不到一年的时间，他论文中预言的现象都被实验所证实。

超导理论的研究正在不断地发展，在这个领域里已经有多名科学家获得诺贝尔奖。相信在全世界科学家的共同努力之下，超导必将开辟一个全新的电气时代。