超導(dǎo)：關(guān)于無損世界的最佳想象

作者｜薛良Neil? 郵箱｜neilshen@pingwest.com

無損世界

一句話解釋室溫超導(dǎo)的重要性，那就是它將顛覆現(xiàn)有人類對電的利用方式，這甚至比能源領(lǐng)域的革命更深刻，因為不管什么能源，最終還是以電能的形式輸出的。

因此，韓國人宣稱的室溫超導(dǎo)材料吸引了全世界的目光。一百年多年來，憑借超導(dǎo)拿到諾貝爾獎的人科學(xué)家有十位，他們有的發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，有的部分解釋了背后原理，但室溫超導(dǎo)比所有上述這些意義都要重大的多，因為它是歷史上第一次，在普通人的日常環(huán)境下實現(xiàn)了過去只有在實驗室極端苛刻的情況下才能實現(xiàn)的技術(shù)——這不是人類第一次在室溫下實現(xiàn)超導(dǎo)，但卻是第一次在正常大氣壓力下做到這一點——過往的超導(dǎo)技術(shù)往往需要極低的溫度或者施加上百萬倍的大氣壓力才能實現(xiàn)。

更何況，論文中介紹的制作方法異常簡單，有人戲稱在家就能實現(xiàn)，因此這種室溫常壓超導(dǎo)材料一旦被證明是真，也就意味著人類可以十分便捷地生產(chǎn)，并且在地球的任何環(huán)境下自由運用這項技術(shù)，整個世界的運作方式都將因此被完全顛覆——一個無損的世界就要來了。

人類目前構(gòu)建一切能量體系的方式都基于一種理解——能量會有所損耗。這非常符合人的常識與直覺，任何事物，甚至生命，它們的能量其實一直都在持續(xù)地?fù)p耗，只不過有些迅速，有些緩慢。

換而言之，世界是有磨損的。

因此，遠(yuǎn)距離電力運輸需要通高壓，太低的電壓，電流還沒有傳遞太遠(yuǎn)就會被損耗殆盡。精密計算所用的芯片，從手機到量子計算機都需要充分的散熱，因為一部分的損耗會以熱能形式傳遞出來。電動車的電池也是如此，再高妙的設(shè)計也做不到讓電池的續(xù)航與壽命實現(xiàn)飛躍式的提升——磨損在每一次充放電過程中產(chǎn)生，最終會讓電池完全失能，這幾乎已經(jīng)成為了定律。

超導(dǎo)會改變這一切，前提是它能夠?qū)崿F(xiàn)。

兩個條件

所謂能夠?qū)崿F(xiàn)，一方面指它技術(shù)上成立，另外一方面則說的是在實際中可以大規(guī)模運用。如果只存在于實驗室，受限于各種條件的話，這項技術(shù)的前景就會大打折扣。

1911年，荷蘭科學(xué)家昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)零下269度時液氦冷卻汞的電阻消失了，由此開啟了人們對超導(dǎo)現(xiàn)象持續(xù)百年的探索。同人們印象中不同，目前為止關(guān)于超導(dǎo)為什么發(fā)生人類并沒有完全弄明白，大致的理論框架是，電子會在某些非常特殊的條件下以特殊的方式配對，從而不受干擾地實現(xiàn)在導(dǎo)體內(nèi)完全自由流動。

在過去，實現(xiàn)超導(dǎo)一定需要極低的溫度和極高的壓力，因為這樣可以盡可能減少金屬離子的震動，讓電子暢通無阻地通行。盡管后來，有關(guān)超導(dǎo)的理論不斷發(fā)展，實現(xiàn)超導(dǎo)所需要的極低溫度也逐漸升高，但室溫常壓超導(dǎo)甚至缺乏一個公認(rèn)的解釋框架。

也就是說，直到高麗大學(xué)的這篇論文出現(xiàn)前，沒有人能讓超導(dǎo)現(xiàn)象在日常環(huán)境中實現(xiàn)。

韓國團隊發(fā)現(xiàn)的名為LK-99的物質(zhì)是一種黃鉛礦和磷化亞銅的化合物，論文宣稱，在127攝氏度以下，LK-99能夠作為超導(dǎo)體來使用。在和論文一起公布的視頻里，LK-99在常溫常壓的環(huán)境下在磁鐵的兩級都產(chǎn)生了懸浮效果，這種磁懸浮現(xiàn)象看上去像一種抗磁性，而抗磁性（你也可以叫它邁斯納效應(yīng)）正是判斷是否為超導(dǎo)體的一個必要不充分條件。

第一篇論文中展示的LK-99

第二篇論文展示了LK-99的懸浮

另一個條件是零電阻，即電流可以暢通無阻地通過超導(dǎo)體而不發(fā)生任何損耗。

電阻是電學(xué)的一個基本概念，幾乎所有的物質(zhì)都有電阻，絕緣材料由于電阻極高，因此“顯得”完全不導(dǎo)電，而所有的導(dǎo)體也可以按照電阻大小排列出性能等級，就好像輸電線路多用銅，而有些昂貴精密的芯片則使用銀和鉑金，后者電阻更小，換而言之，能量傳遞效率更高，而由于根本沒有電阻，超導(dǎo)的能量效率是最高的。

邁斯納效應(yīng)和零電阻，是判斷超導(dǎo)體的兩個指標(biāo)。LK-99的出現(xiàn)，哪怕僅僅是抗磁性，已經(jīng)足夠全世界激動起來。由于制備LK-99的過程看上去非常簡單，已經(jīng)有大量的機構(gòu)開始復(fù)現(xiàn)這一試驗。

但它們的結(jié)果充滿矛盾。

矛盾的結(jié)果

東南大學(xué)孫悅教授在B站公布了室溫超導(dǎo)復(fù)現(xiàn)實驗的全流程，結(jié)論是沒有看到任何可能是超導(dǎo)的信號，生產(chǎn)的樣品和磁鐵沒有任何懸浮現(xiàn)象產(chǎn)生。

北航則于31日在arXiv上提交了論文，同樣宣稱沒有發(fā)現(xiàn)LK-99的超導(dǎo)性，特別是他們對比了韓國團隊的X射線衍射圖譜，確認(rèn)其制備出來的同一種東西。印度國家物理實驗室也同樣沒有觀察到磁懸浮或電阻為零的現(xiàn)象。

與之相反，華中科技大學(xué)的博士們則宣稱“首次驗證合成了可以磁懸浮的LK-99晶體”，公布的視頻中LK-99晶體靠近磁鐵時會立起來，雖然不是真正的“懸浮”，但它的角度比原視頻中樣品的磁懸浮角度更大。另一個成功復(fù)現(xiàn)了磁懸浮的是來自知乎的“半導(dǎo)體與物理”賬號，他發(fā)布的視頻中，樣品的一端在靠近磁鐵時也會出現(xiàn)抬升。

Bilibili賬號關(guān)山口男子技師視頻截圖

為什么會出現(xiàn)這種互相矛盾的結(jié)果？

首先，需要明確的是，即使出現(xiàn)了磁懸浮現(xiàn)象，也不能夠確認(rèn)LK-99就是超導(dǎo)體，因為它的零電阻性還沒有得到證實。

其次，之所以出現(xiàn)矛盾的結(jié)果，恐怕和LK-99的制備方法有關(guān)。在韓國團隊的論文中，相關(guān)的制備方法雖然完整，但仍有語焉不詳之處，最明顯的一點是，將原料放入石英管中時究竟需不需要真空？

出現(xiàn)這種疑問，一方面是因為論文在此處出現(xiàn)了互相矛盾的說法，另外一方面則是有人扒出，早在2017年，韓國團隊第一次發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)出“獨特磁性”的物質(zhì)時，就意識到它的產(chǎn)生其實是由于實驗時石英管意外破裂導(dǎo)致的，在此之前，相關(guān)實驗進(jìn)行了18年都沒有任何進(jìn)展。

對實驗步驟的細(xì)節(jié)疑問還更很多，一般來說，確定生成的物質(zhì)到底對不對，需要用到X射線衍射圖譜對照確認(rèn)，但值得注意的是，目前公布的結(jié)果中，凡使用了X射線衍射圖譜對照確認(rèn)是相同物質(zhì)的，都沒有觀察到任何超導(dǎo)性。

然而，除了復(fù)現(xiàn)實驗結(jié)果外，還有人從理論上支持了LK-99是超導(dǎo)體的可能性。美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究院在arXiv發(fā)表了一篇論文宣稱在LK-99上發(fā)現(xiàn)了費米能級的孤立平帶——具體原理過于復(fù)雜就不解釋了，只需要知道他是超導(dǎo)晶體所具有的特性標(biāo)志就行。

上面所有這些互相矛盾的結(jié)果，非但沒有平息，反而放大了圍繞這篇論文的質(zhì)疑。

質(zhì)疑的聲音

當(dāng)然，有質(zhì)疑是好事，起碼證明熱度確實高。

所有質(zhì)疑中最明顯的一點是，論文提出的制備路數(shù)顯得有點太過兒戲了。

過去凝聚態(tài)物理界對室溫超導(dǎo)的研究很多，他們的成果大多是圍繞氫化物材料展開的。比如2018年，科學(xué)家在190萬個大氣壓下讓十氫化鑭實現(xiàn)了室溫超導(dǎo)。今年3月，涉嫌數(shù)據(jù)篡改而被《自然》撤稿過的羅切斯特大學(xué)物理學(xué)家Ranga Dias在1萬個大氣壓下實現(xiàn)的室溫超導(dǎo)的镥氮氫材料，同樣還是一種氫化物。

而LK-99是一種摻雜銅的鉛磷灰石化合物，這么說起來有點難懂，但簡單一點，你可以理解為它就是一種鉛磷灰石，換而言之，一塊石頭。石頭不僅導(dǎo)電，而且還超導(dǎo)？要知道，鉛原子相對來說比較重，傳統(tǒng)上認(rèn)為它會抑制，而不是促進(jìn)電子的配對——而電子的配對是發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的前提。

另外制作LK-99的方法也顯得十分，甚至是過于平常了，雖然不至于到有高中物理化學(xué)知識就能做的程度，但起碼是很容易在實驗室復(fù)現(xiàn)的，這也正是大家一擁而上去搶著復(fù)現(xiàn)的原因，沒辦法，門檻太低了。這過低的門檻就像是在家里后院土法煉鋼結(jié)果最終還真做出來了飛機大炮一樣，怎么聽都覺得有點民科那意思對不？

實際上有不少物理學(xué)家就是這么覺得的。在論文剛上熱搜時《科學(xué)》采訪了幾位物理學(xué)家，他們對這篇文章的印象正是缺乏細(xì)節(jié)，數(shù)據(jù)草率（sloppy），乍一看像一個真正的物理愛好者做的——這幾乎就是在直接說他們是民科了。

至于在某幾個實驗中，LK-99表現(xiàn)出來的抗磁性，根據(jù)品玩從多個渠道得到的消息來看，也有值得商榷的余地，立起來，而不是穩(wěn)定懸浮的LK-99，既可以解釋為它具有抗磁性，也可以解釋成其中存在不均勻的磁性物質(zhì)，而正是由于分布不均，才會一側(cè)自然翹起——要知道，超導(dǎo)體的磁懸浮具有被稱為磁通釘扎的特性，也就是說，懸浮應(yīng)該是穩(wěn)定的，而不是一頭高一頭低。

而美國勞倫斯伯克利國家實驗室的那篇論文，在許多業(yè)內(nèi)人士看來，有點類似先射箭后畫靶——通過計算模擬來觀察特定材料或晶體結(jié)構(gòu)是不是有潛在的超導(dǎo)特性，這是一個被廣泛應(yīng)用的論文思路，但勞倫斯伯克利國家實驗室的這篇論文看上去是“順著結(jié)果倒推了原因”，距理論證明尚有很遠(yuǎn)的距離，充其量只是參與了討論。

“這個思路是有意義的，但在這個時候被過分放大了。”一位和品玩討論這一問題的學(xué)界人士表示。

上述這些質(zhì)疑所形成的輿論，最終導(dǎo)向了陰謀論：韓國人是不是在學(xué)術(shù)造假？

從目前的情況來看，刻意造假的可能應(yīng)該可以被排除，畢竟確實有人復(fù)現(xiàn)了實驗結(jié)果，論文和視頻不可能是完全捏造的，而LK-99即便不是超導(dǎo)體，也有可能是一種在室溫常壓下的抗磁性材料，這同樣是個重要發(fā)現(xiàn)，不過相比超導(dǎo)來說意義就小得多了。

更何況，我們并不能因為LK-99看上去路子野、“像民科”就持全盤否定態(tài)度。在大部分人并不看好的道路上誕生重大成果這種事在歷史上屢見不鮮，不要說別的，材料學(xué)上就有經(jīng)典案例——石墨烯的誕生就是科學(xué)家用膠布貼在石墨片上一下下撕出來的。

無損世界會來臨嗎？

看起來，最終確鑿判定LK-99是不是超導(dǎo)體，恐怕還需要一些時間。有人甚至認(rèn)為這就是韓國團隊著急公布這項技術(shù)以至于還發(fā)生了內(nèi)訌的原因（同一天先后有兩篇基本一樣的論文發(fā)布了出來，它們的作者并不完全相同，顯然是有人想要爭取率先發(fā)現(xiàn)這一材料的榮譽），因為他們自己可能也在大規(guī)模復(fù)現(xiàn)這個實驗上出現(xiàn)了困難。

這種陰謀論的證據(jù)之一是，早在幾個月前，LK-99就注冊了專利，有鑒于室溫超導(dǎo)的巨大價值，如果可以成功批量生產(chǎn)LK-99，恐怕不會有人痛痛快快公布制備的方法，之所以現(xiàn)在公布了出來，顯然是制備方法有問題，與其自己解決，不如大家集思廣益。

韓國團隊論文的作者之一、美國威廉與瑪麗學(xué)院物理系教授Hyun-Tak Kim曾對媒體表示，LK-99或許在一個月內(nèi)就會被復(fù)制，團隊成員會對制作的過程提供指導(dǎo)，因此眼下或許還要靜靜等待子彈再飛一會。

掀起這么大的波瀾，實在是因為超導(dǎo)的前景太過光明，此刻不妨讓我們再度回到文章最開始那個無損世界的想象中去。

一旦室溫常壓超導(dǎo)實現(xiàn)，那么所有的電網(wǎng)都將變得極為簡單，只需要用超導(dǎo)材料傳輸電流即可，不再需要變壓器等所有變電設(shè)備。芯片不用再顧及發(fā)熱的問題，手機也可以擁有小型超算的能力，量子計算機也不用在低溫環(huán)境工作——算力瓶頸從此被突破，數(shù)字技術(shù)迎來大爆炸。由于沒有損耗，超導(dǎo)材料可以制作能量密度比目前任何電池都大得多的儲能設(shè)備，只需要很小的電池就能支撐電動車跑一個月甚至更多，再夸張一點說，超導(dǎo)線圈可以讓無線電傳輸效率達(dá)到100%，未來甚至連充電裝置都不需要了，到處將遍布無線充電。交通工具上，磁懸浮列車將成為常態(tài)，電磁彈射作為交通工具，可以用比飛機更快地速度在全球穿梭。

人類對能源的利用也將步入新階段，可控核聚變需要的巨大的相當(dāng)于地球磁場幾十萬倍的強磁場環(huán)境可以用超導(dǎo)材料來實現(xiàn)，這樣其內(nèi)部幾千萬乃至上億攝氏度的等離子體會被成功約束——可控核聚變進(jìn)程由此將大大提前。

對無損世界的想象看上去絲毫不遜于最奇崛瑰麗的科幻電影，也正因如此，有些人甚至對此充滿懷疑——它實在是過于挑戰(zhàn)人類的常識了，人類真的能抵達(dá)一個毫無磨損與消耗的世界嗎？

最近有關(guān)超導(dǎo)的討論中，B站上有人引用了費曼的一句話：我們正在非常精美的水準(zhǔn)上取得對自然界的控制。這是費曼《物理學(xué)講義》倒數(shù)第二段的一句話。如果室溫常壓超導(dǎo)真的實現(xiàn)，不知這位物理學(xué)巨匠是否依舊認(rèn)為人類處于對自然界控制的精美水準(zhǔn)上？亦或，我們已經(jīng)向著更高的水準(zhǔn)邁出了決定性的、無法回頭的一步？