English

越来越“热”的低温研究

2003-10-29 来源:中华读书报 刘兵 我有话说
随着2003年诺贝尔物理学奖获奖者名单的宣布,物理学领域中的低温研究领域再一次变得“热”了起来,至少在人们和媒体对此关注的意义上是如此。在瑞典皇家科学院这次宣布的名单中,榜上有名的是拥有俄罗斯和美国双重国籍的物理学家阿列克谢·阿布里科索夫、俄罗斯物理家维塔利·金茨堡以及拥有英国和美国双重国籍的物理家安东尼·莱格特,而获奖的原因,则是因为他们在超导和超流体研究领域中作出的开创性贡献。

关于这次诺贝尔物理学奖,人们会发现在背后有许多有趣的历史可以追溯。首先,使得前两位物理学家获奖的工作,其实是他们将近50年前在苏联做出的。而诺贝尔奖又只授予在世的科学家。因此,他们二人能够得奖,也许一方面是由于他们在做出那些杰出贡献时还算年轻,当时阿布里科索夫还不到30岁,而金茨堡也才30出头;另一方面,则有幸于他们的长寿(在获奖时,他们已经分别是75岁和87岁了),从而能够在将近50年后看到自己的科学工作得到如此级别的承认。

如果要对他们的工作的背景和意义稍有些认识的话,恐怕不得不简要地回顾一下超导研究的历史。早在1911年,荷兰物理学家卡末林·昂内斯最先发现的超导现象。简单地说,就是某些金属和化合物在非常低的温度下电阻会突然变为零。当时卡末林·昂内斯是在利用他本人最先成功地液化的氦而获得的大约摄氏零下269度左右的温度下,在金属汞中发现这一现象的。后来,人们又陆续发现了这些超导体的其他一些性质,如它们在磁性质上与正常导体不同等。对于超导现象,人们几乎从一开始就努力要从物理学理论上予以解释,但在理论研究方面的进展却非常缓慢。到了20世纪30年代,才有了最初的关于超导体的热力学和电动力学唯象理论。所谓唯象理论,就是指不是从第一性的基本原理(如量子力学等)出发,而是预先做了一些假定(比如说假定了超导体中有超导电子和正常电子),然后再在这些假定的基础上结合其他基本理论来说明物理现象。至于第一个比较成功地从量子力学出发直接解释超导体的微观理论,则直到1957年才由三位美国物理学家提出。

因此,要更清楚地叙述与这次诺贝尔物理学奖有关的超导理论工作,就得颠倒一下次序,先从第二名获奖者金茨堡的工作讲起。

金茨堡1916年出生于苏联的莫斯科。1942年获得博士学位。除了超导之外,他的研究工作涉及到许多不同的领域,是一位“全能”型的物理学家。1950年,他与另一位苏联的物理学大家朗道一起提出了一个比以前已有的超导唯象理论更精致、也更实用的超导理论,当然,这也还是一个唯象的理论。这个理论是以朗道提出的二级相变理论为基础的,选择描述超导电子的有效波函数作为有序度参量,得出了重要的两个联立方程,后来它们被人们称为金茨堡-朗道方程。从这两个基本方程出发,金茨堡和朗道成功地计算出了超导体的许多特性,特别是超导体是薄膜形状时的一些特性。在当时,由于还没有任何详细而且成功的超导微观理论,他们可以说是依靠着惊人的物理直觉得出了这一理论。后来的超导微观理论进一步的发展,才逐渐地揭示出了他们的理论中一些物理量的意义。而且,尽管作为一种唯象理论,但与后来的微观理论相比,它却显得更加实用,成为描述强磁场中的超导体、超导薄膜、超导合金等的有效理论,其意义和影响甚至超出了超导领域之外。

与金茨堡合作提出其超导理论的苏联物理学家朗道更是一位物理学的“通才”,在物理学研究中涉及的领域更多,贡献也更大,早在1962年,就因其关于液氦的理论而获得了物理学诺贝尔奖。但他于1968年就逝世了,因而无法等到今天再与金茨堡分享因其超导理论而获得诺贝尔奖,当然这样也在每年最多三位的获奖名额中留出了给其他人的空额。

正是在金茨堡和朗道的超导理论基础上,才有了后来阿布里科索夫的获奖工作。在金茨堡和朗道的研究中,只注意了在超导相和正常相之间界面能为正的情况。而阿布里科索夫却注意到以前的一些关于金属薄膜的实验与理论之间的不符,从而假定在界面能为负的情况下,计算出超导体的临界磁砀和薄膜厚度之间的关系,他从理论上处理的这类超导体,也就是在今天实用中应用最广泛的所谓“第二类超导体”。在此之后,阿布里科索夫进一步研究了大块材料的第二类超导体的磁性质,发现其中会出现一种磁通线形成周期性的“格子”的“混合态”。但他的研究一时没有得到身边的物理学权威朗道的认可,便暂时放在了一边没有发表。后来,受到美国物理学家费曼的液氦理论中“无涡旋”概念的启发,他又重新与朗道讨论第二类超导体的问题,并发现了在20世纪30年代另几位苏联物理学家的有关实验结果正好构成了对他的理论的支持,这样,他最终于1957年发表了其关于理想第二类超导体的理论。

在阿布里科索夫最终发表他的第二类超导体的那一年,正好是三位美国物理学家提出第一个成功的超导微观理论的同年。美国同行的工作在当时引起了人们更大的兴趣,并于1972年摘取诺贝尔奖,而阿布里科索夫的工作却没有引起人们太大的关注。只是在后来,随着第二类超导体越来越展现出其应用价值,阿布里科索夫的工作才逐渐为人们所重视。如今,即使在超导研究又有了诸多新的进展——已经有了较为成功的超导微观理论,发现了新的高温超导体(1987年有两位物理学家因此而获奖),新发现为超导微观理论提出了新的挑战——之后的今天,阿布里科索夫和金茨堡二人因其几十年前的“经典”超导理论而获奖,也说明了其理论的实用性和重要性。

2003年诺贝尔物理学奖的第三位得主安东尼·莱格特是三位获奖者中最年轻的,出生1938年,其工作涉及的是一个与超导有些类似,而且同样是处于低温领域的研究课题,即液氦的超流动性理论。

1908年,正是那位发现了超导现象的荷兰物理学家卡末林·昂内斯成功实现了氦气的液化。氦气也成为地球上最后一种被液化的气体。20世纪30年代,人们发现了液氦具有一种奇异的特性——在特定的低温下,液态氦的粘性会完全消失,并进而表现出一系列令人匪夷所思的特性,这就是超流动性。如果说有什么巧合的话,那就是这次的获奖者莱格特出生的那年,正是超流动性在实验上被正式认可的那年。液氦的这种与超导有些类似的奇异性质,其实与超导一样,都是一种宏观的量子现象。对于液氦的超流动性的研究,特别是理论研究,多年来也是理论物理学中的一个难题。前面提到的苏联物理学家朗道正是因其超流动性的理论研究而在1962年获得诺贝尔奖的。

但是,在以往的研究中,人们知道的都是有关氦4(拥有两个质子两个中子)的超流动性,而氦的另一种同位素氦3(只有一个中子)的超流动性,则直到20世纪70年代才为三位美国物理学家在实验中发现(他们三人也因此获得1996年的诺贝尔物理学奖)。氦3的超流动性,在物理机制上要比氦4的超流动性更为复杂。这次获奖的莱格特,就是于20世纪70年代在英国最先成功地从理论上解释了新发现的氦3的超流动性。他的这种超流动性理论,对于人们理解极端条件下物质的性质是非常有用的,在其它的一些物理领域中,如粒子物理学和宇宙学中,也被证明是非常有用的。

截止目前为止,在超导和超流动性现象发现不到一百年的时间内,在对低温世界的探索中,有关的理论和实验研究者已有16人获得了诺贝尔物理学奖,他们的工作及获奖的历程,也正是这一研究领域变得越来越“热”的历程。

手机光明网

光明网版权所有

光明日报社概况 | 关于光明网 | 报网动态 | 联系我们 | 法律声明 | 光明网邮箱 | 网站地图

光明网版权所有