解读诺贝尔物理学奖成果

http://www.sina.com.cn 2003年10月08日11:07 云南日报

　　新华社记者姜岩林小春李雪梅

　　通常条件下导线有电阻，因而大量电能浪费在传输过程中；流体在流动过程中自身会产生阻力，因而原油在输油管中流动需要外界提供动力。很多人会想到，如果电流传输、流体流动没有阻力该多好。2003年诺贝尔物理学奖表彰的成果恰恰与这两个奇妙的想法有关。

　　瑞典皇家科学院7日宣布，将2003年诺贝尔物理学奖授予拥有俄罗斯和美国双重国籍的科学家阿列克谢·阿布里科索夫、俄罗斯科学家维塔利·金茨堡以及拥有英国和美国双重国籍的科学家安东尼·莱格特，以表彰他们在超导体和超流体领域中做出的开创性贡献。

　　很多宏观现象可以从微观领域中得到解释。电流是导体中电子的定向移动。电子在原子间移动时，由于电子与原子核间的电磁力的作用，会引起原子振动。这就是电阻的成因。大量原子振动在宏观上表现为导体发热，到达一定程度可使导体熔化。电焊、电切割利用的就是这一原理。流体流动时产生的阻力实质上是流体分子之间存在的吸引、碰撞等相互作用造成的。要消除电流和流体传输中的阻力，就必须在微观粒子特性上想办法。

　　1911年，荷兰科学家卡麦林·昂内斯发现，汞在4．2开氏度（零下273．15摄氏度为0开氏度，即绝对零度）时，其电阻会突然消失。他称之为“超导电性”，并因之获得1913年诺贝尔物理学奖。对这一奇妙的现象，直到1957年科学家才作出较为成功的理论解释。美国物理学家巴丁、库珀和施里弗提出，超导体中存在着电子对，这些电子对可以平稳地通过由失去部分电子的原子所组成的通道，不会引起原子振动，即为超导现象。这三位科学家因此而获得1972年的诺贝尔物理学奖。

　　后来科学家发现存在着两种超导体。一种称为Ｉ型超导体，主要是金属超导体。它对磁场有着屏蔽作用，也就是说磁场无法进入超导体内部。如果外部磁场过强，就会破坏超导体的超导性能。另一种称为ＩＩ型超导体，主要是合金和陶瓷超导体。它允许磁场通过。

　　科学家发现，巴丁、库珀和施里弗提出的理论只能解释Ｉ型超导体的特性，无法解释ＩＩ型超导体的特性。1950年维塔利·金茨堡与苏联科学家列夫·郎道（因对凝聚态的研究成果获得1962年诺贝尔物理学奖）提出一种描述超导等现象的公式，在此基础上，1957年阿列克谢·阿布里科索夫提出了一种能够解释ＩＩ型超导体特性的理论。这一理论认为，ＩＩ型超导体中的电流形成了一个个小旋涡，如同水流中的旋涡一样，这些旋涡形成了一个有序的点阵，就像排列整齐的士兵方队一样。这样可以使超导体中电子运动的阻力消失，又可以使磁场能够从点阵中的通道通过。可以这样理解：让混乱的人群前进的难度很大，而让排列整齐的士兵方队前进很容易，前进的阻力大大减少，这就是ＩＩ型超导体电阻消失的原理；同时，士兵方阵队与队之间的通道很容易让人们通过，这就是ＩＩ型超导体允许磁场通过的原理。

　　超流体现象也是在超低温环境下观测到的。大气中稀有的惰性气体氦很难液化。直到1908年，荷兰科学家卡麦林·昂内斯才把它制成液体。氦有两种同位素，即由2个质子和2个中子组成的氦4和由2个质子和1个中子组成的氦3。20世纪30年代末，苏联科学家彼得·卡皮察首先观测到液态氦4的超流体特性。他因与此相关的成果获得1978年诺贝尔物理学奖。这一现象很快被苏联科学家列夫·郎道用凝聚态理论成功解释。不过，科学家直到20世纪70年代末才观测到氦3的超流体现象。因为使氦3出现超流体现象的温度只有氦4的千分之一。

　　科学家发现，氦3超流体有一些特别的现象无法用原有理论解释。针对这些现象，20世纪70年代末，在英国工作的安东尼·莱格特提出了一个能用数学公式解释氦3超流体现象的理论。后来证明这一理论能够系统地解释多种超流体的特性，并适用于粒子物理和宇宙学等其他领域。

　　正如其他科学发现一样，一旦找到应用它们的方法，就会改变我们的生活。超导材料的用途非常广泛，比如在磁悬浮列车、核磁共振成像、超导发电、超导计算机、输电和储能等方面都有很大用处。如今世界各国对超导的研究越来越热，而重中之重就在于常温超导。有专家预测，这种技术一旦推广应用，总体上可以节约目前三分之二的电力。与超导原理已经得到应用相比，超流体原理的应用尚在研究之中。不过，这一领域已经曙光初现。2002年，德科学家实现铷原子气体超流体态与绝缘态可逆转换。世界科技界认为该成果将在量子计算机研究方面带来重大突破。这一?晒恢泄皆涸菏科牢?2002年世界十大科技进展之一。