王震元
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?
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)。
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……