制冷的奧秘（下）

王震元

列車騰空而起

現(xiàn)代社會(huì)的人們追求高效與便捷，交通運(yùn)輸高速化就成了一種必然趨勢(shì)。相較于民航和高速公路而言，高速鐵路不但能耗低得多，而且安全系數(shù)也高出好幾倍。但是，列車是依靠輪子的滾動(dòng)前進(jìn)的。盡管鋼軌比一般路面都要光滑平整，它對(duì)車輪仍會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力。這種阻力與速度的平方成正比，火車的速度越高，阻力也就越大。顯然，征服這種輪子“挑戰(zhàn)”的根本途徑，就是讓輪子“脫軌”，讓車體懸浮起來。但是，列車又是如何擺脫地球引力的呢？

我們先來做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)：找兩塊直徑相等、大小一樣的圓柱形小磁鐵，把其中一塊放進(jìn)比它略大一點(diǎn)的玻璃試管中，使它的N極向上，然后，再把另一塊N極向下的磁鐵放進(jìn)去。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這塊磁鐵竟會(huì)“懸浮”在原來那塊磁鐵上面。這表明磁鐵具有同性相斥的特征。這使人們很自然地聯(lián)想到，可以利用這種特性使輪子和鋼軌“分離”。但是，一列火車重達(dá)幾十噸，使之“騰空而起”的強(qiáng)大磁力又如何產(chǎn)生呢？超導(dǎo)技術(shù)為這個(gè)難題的解決帶來了曙光……

日本國(guó)營(yíng)鐵道公司鐵道技術(shù)研究所的專家們經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)16年的辛勤探索，終于在1979年研制成功了世界上第一列“磁懸浮列車”。該列車長(zhǎng)13.5米，寬3.8米，高2.7米，重達(dá)10噸。車身上印制著它的“大名”：ML500。M、L分別是英文Magnetic（磁力）和Levitation（懸浮）的縮寫。ML也就是“磁懸浮”（MagLev）的簡(jiǎn)稱。500則標(biāo)志列車時(shí)速高達(dá)500千米。

“磁懸浮列車”的底部裝有用超導(dǎo)材料繞成的線圈，并浸泡在液態(tài)氦里。由于“超導(dǎo)線圈”里的電阻值為0，因而通電后電流沒有損耗，可以長(zhǎng)期流動(dòng)使用，并產(chǎn)生持續(xù)的強(qiáng)大磁場(chǎng)。在車軌上，也裝了若干個(gè)環(huán)形線圈。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)列車在軌道上運(yùn)行時(shí)，安裝在車上的“超導(dǎo)線圈”產(chǎn)生的磁力線就會(huì)和“軌道線圈”相切割，并使后者產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流又產(chǎn)生磁場(chǎng)，這兩種磁場(chǎng)由于極性相同，因而互相排斥，加上“超導(dǎo)線圈”本身的“完全抗磁性”，于是產(chǎn)生的強(qiáng)大磁力足夠與列車受到的地球引力相抗衡，使車身“騰空而起”，車輪與軌道的“懸浮”距離約為10～15厘米。

那么，這種火車又是怎樣前進(jìn)的呢？還是依靠“磁力”！大家都熟悉的電動(dòng)機(jī)，就是一種把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備。它是利用通電線圈（也就是定子繞組）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并作用于轉(zhuǎn)子形成磁電動(dòng)力旋轉(zhuǎn)扭矩。現(xiàn)在，我們可以把磁懸浮列車運(yùn)動(dòng)的原理，理解成把圓形的定子從縱向“剖開”，展開成平面鋪在軌道上，一組組直線排列。同樣，把作為轉(zhuǎn)子的超導(dǎo)磁鐵也從圓輥改為平板，裝在車體上，使它與定子對(duì)應(yīng)。定子線圈里的電流由計(jì)算機(jī)控制，使它形成的磁場(chǎng)極性，剛好與車身內(nèi)超導(dǎo)磁鐵的極性相反。這樣，列車就被吸引而前進(jìn)了。

磁懸浮列車有許多優(yōu)勢(shì)，除了速度快以外，還具有不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染和震動(dòng)顛簸，以及無噪音等特點(diǎn)。但是，這種超導(dǎo)體必須使用價(jià)格非常昂貴的液態(tài)氦做冷卻劑。能否研制出一種“高溫超導(dǎo)體”呢？

探索的曙光

1987年3月18日17時(shí)，紐約中央車站旁的希爾頓大酒店內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：3000多人守候在只有1150個(gè)座位的大廳門前。而此時(shí)離“節(jié)目”開始還有兩個(gè)小時(shí)。人群中大多是德高望重的長(zhǎng)者。當(dāng)大門終于打開時(shí)，這些人就像頑皮的孩子那樣一涌而進(jìn)，搶占座位。究竟是什么“節(jié)目”使平時(shí)溫文爾雅的紳士們“老夫聊發(fā)少年狂”呢？原來是美國(guó)物理學(xué)會(huì)關(guān)于“高溫氧化物超導(dǎo)體”的討論年會(huì)。會(huì)議從19時(shí)30分開始，一直持續(xù)到凌晨3時(shí)30分。10天以后，日本應(yīng)用物理講演會(huì)在早稻田大學(xué)召開，其中關(guān)于“高溫超導(dǎo)”的小組會(huì)同樣出現(xiàn)了這般熱烈的場(chǎng)面……

從1941年開始，科學(xué)家們就努力尋找“超越”液態(tài)氦低溫區(qū)的“超導(dǎo)體”，但幾十年來始終徘徊不前。直到1986年，國(guó)際商用機(jī)器公司（IBM）蘇黎世研究公司的繆勒和柏諾茲，向德國(guó)出版的《物理學(xué)雜志》遞交了一篇論文，題目為《在鋇鑭銅氧系統(tǒng)中可能存在高溫超導(dǎo)電性》。論文指出這種物質(zhì)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為35K。由于他們尚未對(duì)樣品的抗磁性進(jìn)行觀測(cè)，同時(shí)出于謹(jǐn)慎，因而只指出“可能”存在。此文于當(dāng)年9月發(fā)表后，開始并未引起學(xué)術(shù)界的注意。這主要是由于按照傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，金屬氧化物都不是導(dǎo)體，更談不上產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象。此外，還因?yàn)轭愃啤案邷爻瑢?dǎo)”的不實(shí)報(bào)道太多了。

但是，這一次卻是真實(shí)的重大突破。同年11月，日本東京大學(xué)的學(xué)者證實(shí)了繆勒和柏諾茲所指出的超導(dǎo)電性。同年12月，美籍華裔學(xué)者朱經(jīng)武等人公布了52K的成果。中國(guó)科學(xué)院的趙忠賢等人獲得48.6K的超導(dǎo)材料，并觀察到70K超導(dǎo)的跡象。1987年2月15日，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)宣布，朱經(jīng)武等人獲得了98K的超導(dǎo)材料。同年2月24日，中國(guó)科學(xué)院也宣布趙忠賢等人發(fā)現(xiàn)的鋇鑭銅氧系統(tǒng)為液態(tài)氮溫區(qū)的超導(dǎo)材料，起始轉(zhuǎn)變溫度為100K，在93K時(shí)出現(xiàn)抗磁性，78.5K時(shí)出現(xiàn)零電阻效應(yīng)。

液態(tài)溫度區(qū)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的重大意義，主要在于：一方面，氮在自然界中的數(shù)量遠(yuǎn)比氦多，價(jià)格也低廉許多；另一方面，制冷的操作過程簡(jiǎn)便，從而為超導(dǎo)的大規(guī)模應(yīng)用掃除了障礙。難怪僅僅一年之后的1987年，繆勒和柏諾茲就因此共同榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

“宇稱不守恒”的曲折歷程

在“宇稱不守恒定律”的建立中，超低溫技術(shù)立下了“汗馬功勞”。

“宇稱”是描述微觀粒子狀態(tài)的波函數(shù)，與它鏡像的波函數(shù)之間存在對(duì)稱性的一個(gè)物理量。“宇稱守恒”，通俗地說，就是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與它的“鏡像”粒子（即該粒子在鏡子中的影像）的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是完全一致的。打個(gè)比喻，假設(shè)有一架噴氣式飛機(jī)向右噴氣，產(chǎn)生的反推力，就使它向左飛。如果旁邊有一面鏡子，顯然，鏡子里看到的飛機(jī)是向左噴氣，向右飛的。而這種“鏡像運(yùn)動(dòng)”在現(xiàn)實(shí)世界里完全是可以實(shí)現(xiàn)的；只需將飛機(jī)調(diào)頭就行。這種運(yùn)動(dòng)（或過程）在物理學(xué)上就是“宇稱守恒”（或“鏡像對(duì)稱”）。

換句話說，它的總宇稱始終保持不變。但挑戰(zhàn)也從這里開始：在弱作用力衰變過程中，有一種K介子（因質(zhì)量“介于”電子與質(zhì)子之間而得名），有時(shí)產(chǎn)生2個(gè)π介子，有時(shí)產(chǎn)生3個(gè)π介子。根據(jù)宇稱守恒定律，這2種K介子就不可能是同一種粒子，故命名前者為θ介子，后者為τ介子。但是，θ和τ不但有相同的質(zhì)量，而且兩者的質(zhì)量、壽命、電荷和自旋也完全一樣。難道存在著2種粒子，其他性質(zhì)都相同，唯獨(dú)宇稱不同嗎？于是，1956年10月，李政道和楊振寧兩人在美國(guó)《物理評(píng)論》雜志上發(fā)表論文，題為《弱相互作用中的宇稱守恒問題》，該文明確指出：“目前的“θ-τ之謎”可以看作是宇稱守恒定律在弱相互作用中并不成立的一個(gè)跡象?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2018/04/13/qkimageskxxskxxs201804kxxs20180419-4-l.jpg"/>

但是，一條新的物理定律要獲得公認(rèn)是很不容易的，需要充分證據(jù)的支持。于是，他們邀請(qǐng)美國(guó)哥倫比亞大學(xué)女實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家吳健雄“加盟”。吳健雄做的實(shí)驗(yàn)是觀測(cè)鈷60的β衰變。在此之前，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種衰變屬于弱作用衰變并伴有電子產(chǎn)生。由于鈷60原子核不僅有自旋，而且也有磁矩。也就是說，它既像個(gè)陀螺，也像塊小磁鐵。吳健雄用電流通過線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)“規(guī)范”鈷60原子核的行為，使它的自旋都按相同方向排列。但是，這種排列極容易受到原子核熱運(yùn)動(dòng)的干擾。為此，吳健雄與美國(guó)華盛頓國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的幾位科學(xué)家反復(fù)溝通，使他們同意在該局低溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行整個(gè)實(shí)驗(yàn)，并始終保持在比絕對(duì)零度（-273.15℃）僅高出1/100度的超低溫狀態(tài)。

那么，吳健雄是如何通過觀測(cè)鈷60的β衰變來驗(yàn)證宇稱不守恒定律的？顯然，如果定律成立，或者說電子的“鏡像運(yùn)動(dòng)”，也像噴氣式飛機(jī)調(diào)頭那樣在現(xiàn)實(shí)世界中能夠?qū)崿F(xiàn)，那么鈷60原子核自旋的“順”和“逆”兩個(gè)方向，由于衰變而飛出的電子數(shù)應(yīng)該相等。進(jìn)行這種對(duì)比并不困難，只需改變線圈中電流方向即可。但通過觀測(cè)，她發(fā)現(xiàn)大多數(shù)電子都與鈷60原子核自旋作逆向飛行。顯然，它的“鏡像”——電子飛行方向與鈷60原子核自旋方向相同，在現(xiàn)實(shí)世界中是無法實(shí)現(xiàn)的，也就是說宇稱是不守恒的。

1957年1月4日，時(shí)年44歲的吳健雄正式公布了她的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。后來，一些物理學(xué)家又重復(fù)了這一結(jié)論。于是，李政道和楊振寧提出的“弱相互作用下宇稱不守恒”這一新定律得到確認(rèn)。所謂的“θ-τ之謎”也被徹底揭開，它們實(shí)際上是同一種被稱為“K介子”的粒子。

1957年12月，31歲的李政道和35歲的楊振寧共同榮獲當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1978年，吳健雄則由于這一出色的劃時(shí)代實(shí)驗(yàn)榮獲了與諾貝爾獎(jiǎng)相當(dāng)?shù)摹拔譅柗蛭锢韺W(xué)獎(jiǎng)”。

“冷”，在未來的歲月中，必將為人類創(chuàng)造更多的奇跡……