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超導問題: 理論物理學的恥辱
送交者: 安德森 2004年12月01日15:31:19 於 [教育學術] 發送悄悄話

   超導問題的微觀解釋很早就有人開始尋找了,當時倫敦兄弟和朗道的唯象理論已經頗為成功,但很多人還是對這種不是基於量子力學的模型理論不滿意,一大批物理學大師都曾涉足這一領域,包括玻恩,海森堡,布洛赫,朗道,費曼等等,但是幾十年來進展甚是緩慢,這幾乎成了整個理論物理學的恥辱,而美國人約翰·巴丁卻勇敢地肩負起這一重任。

   巴丁先生在超導物理和半導體物理中都是承前啟後的人物,他出身著名的貝爾實驗室,在1947年就和布拉頓,肖克利合作制出人類歷史上第一個晶體管,在當時雖然沒人理會他們的發明,但隨着時間的推移人人都認識到晶體管的重要性,沒有它可以說就沒有整個信息時代,因此他們三人分享了1956年的諾貝爾物理獎。

   發現晶體管之後後巴丁並沒有停止腳步,卻毅然向超導物理中的第一難題發動了進攻。在1950年春天,美國國家標準局的邁克斯偉等人公布了超導物理的另一項發現--同位素效應,即物體的超導溫度乃是與同位素的質量相關,質量越輕,轉變溫度便越高。

   巴丁是一邊用用早餐一邊聽到秘書念到這一消息的,當時他就放下刀叉愣愣地呆住,然後連外套都沒批上就拔腿奔向實驗室。他馬上意識到超導物體的轉變溫度如果和原子質量相關的話,那麼超導電性多少是和電子--聲子相互作用相關的。

   巴丁的心頭一陣狂喜,難道上帝又一次垂青了自己?但他着手計算了幾天之後,不免大失所望,此種理論僅僅考慮了電子--聲子的相互作用,卻沒有處理電子之間的庫侖力的作用,這是一記大大的漏招。一旦把庫侖作用也包括在內,卻也未免麻煩的一塌糊塗。

   心情沮喪之餘,巴丁卻突然想到量子場論對於處理此類繁瑣的電磁作用問題極是對路,何不找場論專家來幫忙?他首先想到的便是楊振寧,不過楊振寧當時正全心於粒子物理的研究,他推薦的是號稱"東部量子技師"的庫珀。

   庫珀倒是不負眾望,很快運用嫻熟的場論技巧解決了很多難題,並提出庫珀電子對的概念,緊接着巴丁手下的研究生施里弗奇兵突出,居然找出了超導體的基態波函數。三人大喜過望,一番急攻之下,就得出著名的BCS理論,這是取自他們三人名字的第一字母。

  牛刀小試,超導的各種奇妙現象無不迎刃`而解,甚至還可以從BCS中直接推出倫敦方程,京茨堡--朗道方程等諸多唯象理論,他們三人因此同獲1972年諾貝爾物理獎。

   巴丁從而成了歷史上唯一同獲兩次諾貝爾物理獎的傳奇性人物,這一點連愛因斯坦,玻爾這等頂尖人物都沒有做到。本來諾貝爾獎的評審委員會為開此先例也是大為躊躇,但BCS理論實在太重要了,它被譽為自量子論誕生以來,對整個理論物理最有貢獻的理論之一,所以巴丁再次榮膺桂冠。

   凝聚態物理和粒子物理的研究此時也是大大靠近了一步,BCS理論本身固然是借用了場論的概念,但它反過來也為粒子物理開闢了新的視野。後來楊振寧等人又在凝聚態物理中引入了場論中的重正化的作法,也解決了一大批長期懸而未決的問題。

   微觀理論建立之後,凝聚態物理的專家們的注意力大多集中在高溫超導上,人人心中都清楚,就社會轟動效應而言,高溫超導是受控熱核聚變反應之後物理學最重要的問題。

   1980年法國物理學家熱羅姆等人首次發現了倫敦當年預言的有機物超導體,其超導溫度上了一個台階,自此全球掀起了一股超導熱,德國的柏諾茲和瑞士的繆勒另闢蹊徑,從金屬氧化物Ba-La-Cu-O中找到了溫度高達32K的超導體。

   消息剛傳到美國的時候,很少有人相信柏諾茲和繆勒的成果,只有加洲大學的華裔物理學家朱經武相信在金屬氧化物中大有可為,他研究了種類繁多的氧化物,終於找到了Y-Ba-Cu-O,超導溫度一下驟升到90K,這也是人類第一次在液氮溫區實現超導轉變。

   幾乎與此同時,中國科學院物理研究所的趙忠賢利用同樣的氧化物把超導溫度又提高到100K,一度引起了世界各國的關注。

   此後各種高溫超導材料層出不窮,但是想把超導溫度提高到室溫(300K),短期之內還難以辦到。這歸根到底還是因為高溫超導的機理尚不明曉,BCS理論在超低溫的領域裡雖是得心應手,溫度升高之後卻也遇到了極大的麻煩。

   安德森等人在BCS的框架之上又提出強耦合模型,這是動力學上一個典型的對稱性殘缺的例子,到今天為止可能是最有希望解釋高溫超導的理論。而在粒子物理中,對稱性的殘缺也是首要關注的問題,這關繫到若隱若現的希格絲粒子是否存在。

   在上帝之手的神秘指引下,物理學家們殊途同歸,重新聚在了一起。

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