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超导究竟能带来什么?为什么研究超导能获诺贝尔奖?

来源:互联网添加时间:2020/06/04 点击:

电影《阿凡达》当中有一个令人印象深刻的场景,潘多拉星球上的群山,不是坐落在地面上,而是悬浮在天空中。这看似奇幻的现象,在科学上是讲得通的,因为山里有一种奇特的矿石——常温超导矿石。

地球上目前还没有发现这种矿石,所以我们只能在科幻电影里观摩艺术家想象出来的世界。但是科学家确实正在努力,使各种东西悬浮起来。比如磁悬浮列车,可以高速贴地飞行,未来如果用上超导技术,载人磁悬浮列车的极限速度可以突破600公里每小时,载货可能达到3000公里每小时,这意味着从北京发快递到上海只要半小时,效果跟瞬间移动也差不多了。如果能够成功开发室温超导技术,那么悬浮沙发、悬浮汽车、悬浮城市,这些都可能变成现实。

超导技术能使各种东西悬浮起来,主要是因为它具有完全的抗磁性。把超导体放在磁场中,所有的磁通线都会绕过它。超导的基本原理是由三位科学家共同提出的,称为BCS理论。这个理论的精髓可以这样来阐述:设想一下,一个电子有两条腿和一个翅膀,它在单独前进时只能在地面上奔跑,因此会遇到障碍物,但如果两个电子一起前进,它们就可以手挽手,用两只翅膀一起飞翔。

电能生磁,磁能发电,超导从字面意思上理解就是超级导电。如果远距离输电网络能用上超导电缆,那么可以比使用传统的电缆减少15%的电力损耗,这对于我们这种幅员辽阔、地域资源不均衡的大国来说,意义重大。

超导研究是物理学一个较小的分支,而且只有短短一百年的历史,却已经诞生了10位诺贝尔奖获得者。可见全世界对超导技术的关注程度非同一般。那为什么超导技术还没有走进人们的生活呢?我们既没有用上超导手机、超导电脑,也没有用上超导电视、超导冰箱。

原来,超导材料的使用条件都过于苛刻。现在已经发现的超导体主要有铜基和铁基两大家族,它们的使用温度很低,大约在-233摄氏度(40开尔文)甚至更低。这样的低温在地球上实现起来很不经济,只有到月球上使用才能体现出超导的优势。

常温超导体是科学家努力的方向,现在发现也非易事,需要在极高的压力条件下才能实现。例如,氢气在常温常压下是一种气体,但在高压下就变成金属氢,具有了超导性。然而,有科学家曾经为了研究金属氢的超导性,把它压在两块最坚硬的钻石当中,最后钻石都被压碎了。不过,金属氢的超导特性在木星上就很容易显现出来,因为木星是一个巨大的氢气球,它的内部有200万大气压的高压,它的核心就是超导体金属氢。

总而言之,现在发现的材料要体现出超导的特性,要么需要超低温,要么需要超高压,所以应用领域还很狭窄。也许在未来,我们能更多地享受超导技术带来的便利。