把真空变成超导体

2018-09-21 07:00

2011年是超导体发现100周年。100年前,荷兰物理学家卡末林-昂内斯发现,当温度下降到绝对零度附近时,水银的电阻就完全消失了,这种现象后来被称为超导电性。经过一个世纪的研究,人们又陆续发现,一些材料远离绝对零度也能实现超导,这被称为高温超导。与高温超导相区别,在绝对零度附近的超导被称为低温超导。

不论低温超导还是高温超导,都离不开物质材料。可是最近有位法国科学家提出,超导体也能出现在一无所有的真空中!只要制造出非常非常强的磁场,那么把真空变成超导体就是小菜一碟;而且这种超导体可以存在于几十亿摄氏度的高温中,而我们知道,现在的所谓“高温超导”,最高超导温度也才只有138K(即零下135℃)呢!

真空中出现超导体,这可能吗?

图片[1]-把真空变成超导体 - 如意工业网(Rueee.com)-如意工业网(Rueee.com)

真空中充满了“虚粒子”

我们知道,电流的形成需要有移动的电荷,在普通导体和超导体中,移动的电荷都是电子。可是在一无所有的真空中,什么都没有,又哪来移动的电荷呢?

这个移动的电荷可以从真空中生拉硬拽出来!

原来,根据量子力学的测不准原理,真空并非真的一无所有,其实里面有许多“虚粒子”在此起彼伏地产生又消失。为什么说它们是“虚粒子”呢?因为它们存在的寿命实在太短了,连目前最先进的仪器也无法捕捉到它们活动的踪迹。比如说,从真空中产生的正负电子对,寿命只有10-21秒,而现在测量时间最先进的飞秒激光器,也只能测最短为10-15秒的时间间隔(这相当于光走过一根头发丝粗细的百分之一路程所需时间)。

为什么这些“虚粒子”存在的时间会如此之短呢?这又牵涉到物理学中另一个基本的定律——能量守恒定律。能量守恒定律说,能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转化或转移的过程中,总量保持不变。在量子力学出现之前,物理学家认为能量守恒定律在任何时候都应该严格成立。如果按这种看法,那当然真空就真是“僵死的”、空无一物的空间了,因为一有粒子产生,不论存在时间有多短,都意味着能量凭空冒出,破坏了能量守恒。

但自从测不准原理提出后,人们忽然发现,能量守恒定律只是宏观时间尺度的一种平均结果,而在非常短的微观时间尺度内,就不那么严格成立了。比如说,按照测不准原理,这种情况是允许的:在一无所有、能量为零的真空中,一对正负电子从真空中先借一部分能量出来,使自己暂时获得“肉身”,然后在10-21秒之后又迅速湮灭,把借来的能量还给真空。这样,我们要是事后查真空的能量“账”,依然发现它收支平衡,于是就说能量守恒了;而其实呢,从更小的时间尺度看,真空能量显然并不守恒。

打个比方。不妨把真空比作一家银行,“虚粒子”比作一个不老实的银行出纳,他夜里偷偷把银行的钱挪作他用,早上及时补上,那人家白天来查账的时候,就总发现不了破绽,于是查账人就得出结论说账目没问题等等。

能量守恒虽然可以被打破,但必须要在极短的时间内予以恢复。这好比说那位不老实的银行出纳怕露出破绽,总是在上班之前就归还挪用的钱,以免对白天正常的业务产生任何影响,而且由于心虚,挪用越多,归还越迅速。同样的道理,“虚粒子”对于自己从真空“借来”的能量也总是在很短的时间内就“归还”,“借”得愈多,“归还”愈迅速。这就决定了真空中出现的“虚粒子”寿命总是非常短;而且,“虚粒子”的质量越大(相当于从真空“借来”的能量越多),存在时间就越短。

长命“虚粒子”变出真空超导体

我们不是谈超导体吗?虚粒子和真空中的超导体有什么关系呢?

这些活跃于真空中的“虚粒子”都是以正反粒子对的形式出现的。它们一般都带电,所以原则上就可以作为移动的电荷。但现在还有一个大问题,它们存在的时间太短了,怎么能作为超导体中的移动电荷呢?

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办法是提高“虚粒子”的存在寿命!我们前面已经提到,“虚粒子”的寿命受制于能量守恒的要求。假如不违反能量守恒,那么你爱存在多久就可以存在多久,这时“虚粒子”就变作实粒子,变得非常稳定了——但前提是,因为你是从真空里凭空“蹦”出来的,你可别给整个宇宙能量的“收支总账”添乱!

有什么办法做到这一点呢?可以借助于磁场。科学家很早就发现,一个自旋不为零的粒子一旦处于磁场中,它跟磁场的作用能总是负的,而且作用能的绝对值与磁场强度成正比。

我们不妨对一个处于磁场中、自旋不为零的粒子所携带的总能量做一番分析。这个总能量可分成两部分:一部分是粒子自身的能量,包括它的动能和静止能量(由它的静止质量根据爱因斯坦质能方程E=mc2转化而来的能量),这一部分能量永远是正的;另一部分是它与磁场作用的能量,这一部分能量是负的,而且磁场越强,其绝对值越大。

我们由此可以推想,如果磁场强度足够大,大到后一项能量刚好把前一项能量抵消,那么这个粒子在磁场中的总能量岂不就为零了?这样一来,它不就没给宇宙的能量“收支总账”添任何乱,于是大自然也就对它网开一面,允许它长时间存在了?

而有了稳定存在的移动电荷,又是在没有任何阻力的真空中,那么超导就可以实现了。而且这种“真空超导体”不受温度的影响,可以存在于不论温度多高的环境。

我们需要超强的磁场

如果能这么简单地把真空转化成超导体,那对人类来说真是福莫大焉!可惜,这只是一个美好的设想,目前来说实现的可能性几乎为零。因为要实现这个设想,需要很强很强的磁场。

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需要多强的磁场?理论计算,至少需要1016特斯拉(这个量级有多大?地球到太阳的距离是1011米的量级,而细菌的尺度在10个微米的量级。如果让细菌首尾相接,从地球排到太阳,那么需要的细菌数目大约就是1016个)。可你知道么,目前地球上能获得的最强磁场是多少?才30特斯拉!差距是兆亿个量级。事实上,这么强的磁场,即使在广袤的宇宙空间也十分罕见。迄今,天文学家在宇宙中发现的磁场最强的天体(一类叫磁星的中子星)上发现的磁场也不过只有1010特斯拉,远远不够把真空变成超导体。

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不过这项理论的提出者认为,或许在宇宙早期此类现象可能出现过。现在遍布整个宇宙的超强粒子流会不会就是早期宇宙把真空变成超导体后产生的呢?另外,他还预言,或许可以在欧洲强子对撞机上重演这一可能。他做过计算,当两个铅原子核在强子对撞机上以非常高的速度擦肩而过时,大概在10–24秒的瞬间,将会产生高达1016特斯拉的磁场;也许就在那瞬间,两个铅原子核附近的真空就变成了超导体了。

原来,真空超导体离我们并不遥远。

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