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超导问题: 理论物理学的耻辱
送交者: 安德森 2004年12月01日15:31:19 于 [教育学术] 发送悄悄话

   超导问题的微观解释很早就有人开始寻找了,当时伦敦兄弟和朗道的唯象理论已经颇为成功,但很多人还是对这种不是基于量子力学的模型理论不满意,一大批物理学大师都曾涉足这一领域,包括玻恩,海森堡,布洛赫,朗道,费曼等等,但是几十年来进展甚是缓慢,这几乎成了整个理论物理学的耻辱,而美国人约翰·巴丁却勇敢地肩负起这一重任。

   巴丁先生在超导物理和半导体物理中都是承前启后的人物,他出身著名的贝尔实验室,在1947年就和布拉顿,肖克利合作制出人类历史上第一个晶体管,在当时虽然没人理会他们的发明,但随着时间的推移人人都认识到晶体管的重要性,没有它可以说就没有整个信息时代,因此他们三人分享了1956年的诺贝尔物理奖。

   发现晶体管之后后巴丁并没有停止脚步,却毅然向超导物理中的第一难题发动了进攻。在1950年春天,美国国家标准局的迈克斯伟等人公布了超导物理的另一项发现--同位素效应,即物体的超导温度乃是与同位素的质量相关,质量越轻,转变温度便越高。

   巴丁是一边用用早餐一边听到秘书念到这一消息的,当时他就放下刀叉愣愣地呆住,然后连外套都没批上就拔腿奔向实验室。他马上意识到超导物体的转变温度如果和原子质量相关的话,那么超导电性多少是和电子--声子相互作用相关的。

   巴丁的心头一阵狂喜,难道上帝又一次垂青了自己?但他着手计算了几天之后,不免大失所望,此种理论仅仅考虑了电子--声子的相互作用,却没有处理电子之间的库仑力的作用,这是一记大大的漏招。一旦把库仑作用也包括在内,却也未免麻烦的一塌糊涂。

   心情沮丧之余,巴丁却突然想到量子场论对于处理此类繁琐的电磁作用问题极是对路,何不找场论专家来帮忙?他首先想到的便是杨振宁,不过杨振宁当时正全心于粒子物理的研究,他推荐的是号称"东部量子技师"的库珀。

   库珀倒是不负众望,很快运用娴熟的场论技巧解决了很多难题,并提出库珀电子对的概念,紧接着巴丁手下的研究生施里弗奇兵突出,居然找出了超导体的基态波函数。三人大喜过望,一番急攻之下,就得出著名的BCS理论,这是取自他们三人名字的第一字母。

  牛刀小试,超导的各种奇妙现象无不迎刃`而解,甚至还可以从BCS中直接推出伦敦方程,京茨堡--朗道方程等诸多唯象理论,他们三人因此同获1972年诺贝尔物理奖。

   巴丁从而成了历史上唯一同获两次诺贝尔物理奖的传奇性人物,这一点连爱因斯坦,玻尔这等顶尖人物都没有做到。本来诺贝尔奖的评审委员会为开此先例也是大为踌躇,但BCS理论实在太重要了,它被誉为自量子论诞生以来,对整个理论物理最有贡献的理论之一,所以巴丁再次荣膺桂冠。

   凝聚态物理和粒子物理的研究此时也是大大靠近了一步,BCS理论本身固然是借用了场论的概念,但它反过来也为粒子物理开辟了新的视野。后来杨振宁等人又在凝聚态物理中引入了场论中的重正化的作法,也解决了一大批长期悬而未决的问题。

   微观理论建立之后,凝聚态物理的专家们的注意力大多集中在高温超导上,人人心中都清楚,就社会轰动效应而言,高温超导是受控热核聚变反应之后物理学最重要的问题。

   1980年法国物理学家热罗姆等人首次发现了伦敦当年预言的有机物超导体,其超导温度上了一个台阶,自此全球掀起了一股超导热,德国的柏诺兹和瑞士的缪勒另辟蹊径,从金属氧化物Ba-La-Cu-O中找到了温度高达32K的超导体。

   消息刚传到美国的时候,很少有人相信柏诺兹和缪勒的成果,只有加洲大学的华裔物理学家朱经武相信在金属氧化物中大有可为,他研究了种类繁多的氧化物,终于找到了Y-Ba-Cu-O,超导温度一下骤升到90K,这也是人类第一次在液氮温区实现超导转变。

   几乎与此同时,中国科学院物理研究所的赵忠贤利用同样的氧化物把超导温度又提高到100K,一度引起了世界各国的关注。

   此后各种高温超导材料层出不穷,但是想把超导温度提高到室温(300K),短期之内还难以办到。这归根到底还是因为高温超导的机理尚不明晓,BCS理论在超低温的领域里虽是得心应手,温度升高之后却也遇到了极大的麻烦。

   安德森等人在BCS的框架之上又提出强耦合模型,这是动力学上一个典型的对称性残缺的例子,到今天为止可能是最有希望解释高温超导的理论。而在粒子物理中,对称性的残缺也是首要关注的问题,这关系到若隐若现的希格丝粒子是否存在。

   在上帝之手的神秘指引下,物理学家们殊途同归,重新聚在了一起。

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