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5分鐘科普:常溫超導到底是什么意思?美國科學家或是欺世盜名!

顛覆人類生活!美國科學家發表最新成果,他們實現了常溫超導現象,這是物理學界的重大突破。

在發布這項成果的報告廳外,擠滿了許多物理學家,甚至還有大量物理學研究者擠不進去,被保安疏散。

人類歷史上的科學突破不在少數,近些年來我們也常常聽到號稱可以改變人類生活的新成果,但似乎沒有一次這么受關注。常溫超導到底是什么意思?它為何能顛覆人類的生活呢?

電對于人類的社會和科技發展來說,是必不可缺的。如果沒有電的應用,人類是不可能有今天的生活的。對于現代人來說,如果沒有電,生活也會極其困難,幾乎是寸步難行。

電的應用原理其實很簡單,就是通過各種手段產生電壓或者電流。電流是什么?其實就是電子的移動,在一個電路中,電子移動的相反方向被認定為電流的方向。物理學上通常用字母I表示電流,單位一般是A(安培)。

說起來,電流和水流的原理是差不多的,這樣的比喻也很便于大家理解。想要產生電流,首先要產生電勢差。我國大部分河流為啥自西向東流入大海,其實就是地勢差導致的,我國地形西高東低,水往低處流,就向東走了。

電流也是一樣的,會從電勢高的區域流向電勢低的區域。電勢和電壓的物理學表示都是U,常用到的單位是V(伏特)。

河水的流速不是永遠固定的,隨著流經的地形而改變,在遇到大壩等阻礙時,就會降低流速,甚至可能完全停止。電流也是一樣的,電路中有的地方阻礙可能大一些,有的地方阻礙小一些,這就是電阻,物理學上用R表示,單位通常是Ω(歐姆)。

這種“阻礙”不僅僅影響“流速”,還會影響最終的結果。如果你用一道道大壩攔住河水,那么最終注入大海的水量肯定會大幅減小。電也是一樣的,在經過電阻的時候,不僅會影響電流,還會導致電能的損失。

電阻的大小主要取決于材質,有些材料本身就很容易導電,這就是導體;還有一些材料導電極其困難,也就是絕緣體。

材質不是決定電阻的唯一因素,溫度也可以影響。想一想,水流也是相同的道理,同樣一條河,冬天和夏天的流速就是不一樣的。隨著溫度的變化,相同材質的電阻也會發生變化。

對于大部分材質來說,電阻隨著溫度變化的幅度都不會達到無限大或者無限小。但對于某些極特殊的材質來說,當溫度突破臨界值時,電阻竟然可以完全消失,這就是所謂的超導體。對應水流的比喻來說,這時河流就變成瀑布了,那威力可要比橫向流動相同的距離要提升很多。

就像我們剛才說的,電阻的存在不僅會影響電流,還會消耗電能。不論是火力發電還是風力、核能等方式產生的電,在通過電線傳輸到千家萬戶的過程中,都會因為電線的電阻導致大量電能的損失,說白了就是導致經濟損失。為了彌補損失,人類就要生產更多的電,這就會進一步加劇溫室效應,引發全球氣候危機。

有數據表明,目前利用銅或者鋁導線輸電,大約有15%的電腦在輸電線路上流失。僅僅是咱們中國,每年就要因此損失超過1000億度電,相當于數十個發電廠產生的總電量!

超導體不僅能夠用來省電,還能在許多高科技和科研領域發揮功效。比如磁懸浮列車,就需要利用強大的磁場使列車懸浮起來。想要足夠強大的磁場,就需要足夠強大的電場,超導體當然就是其中關鍵的環節。如果能夠利用超導導線來繞制電磁體,那就可以大幅提升列車的性能、減少能耗、節約成本。

另外,我國正在研發的最先進科技——人造太陽,也需要超導體的幫助。人造太陽的正式名稱是可控核聚變,是未來人類最重要的能量來源,其核心裝置就是超導托卡馬克。利用超導線圖制成的電磁鐵可以產生強大的磁場,約束等離子體,從而實現可控核聚變。

這么看來,超導體對人類的發展來說確實具有不可替代的意義。但我們說了,只有非常特殊的材質在特殊條件下,才能夠把電阻降低到0。這里我們提到的特殊條件,就包括溫度、壓強等。

目前人類發現的超導體也已經有不少了,但它們有一個共同特點,那就是需要極低的溫度,這種溫度不僅遠遠低于地球的氣溫,甚至有的不足-100℃乃至低于-200℃!超導體固然重要,但為了實現超導效果而人為創造超低溫條件,反而會損失更多的能源,得不償失

多年以來,科學家們一直在尋找更加特殊的材料,實現室溫超導。因此,這一次的發布會才如此引人關注。

發布會的主角,是美國羅徹斯特大學的Ranga Dias團隊。根據他們的介紹,只要提供大氣壓10000倍的壓力(這對科學家來說并不是很難),他們發現的新材料就能夠在21℃的溫度下出現超導現象。相關研究成果于2022年8月投出,并在今年1月18日被權威國際科學期刊《自然》接收。

可以說,這樣的溫度真的可以在大部分自然狀態下實現超導,絕對稱得上是室溫超導。一旦這種技術得到應用,也將毫無疑問地改變人類的生活,促進科技發展。

那么,這幾位科學家真的要獲得諾貝爾獎了嗎?

實際上還真不是這么回事,因為這次研究的成果到底靠不靠得住,目前還說不準。早在2020年的時候,Dias 就發表過類似的成果,提出由氫-硫-碳三種元素組成的新材料可以實現室溫超導(15℃,267GPa),當時的成果也發表在《自然》期刊上。

結果,很多團隊按照他的說法進行了實驗,都沒有達到超導的水平。最后許多物理學家提出:這篇論文的數據有問題,甚至可能是造假的!不僅如此,還有人扒出了他在博士后期間發表的論文,也存在著一定的爭議。

因此,這么多年來,Dias在物理學界的名聲可不怎么樣。既然如此,這一次他聲稱的常溫超導,究竟是不是真的,咱也沒有把握。

即便如此,還是有這么多物理學家來聽他的這次報告,可見常溫超導對于人類發展來說確實至關重要。我們當然希望這一次的成果不是假的,如果是假的,也希望早日有科學家真的實現這項技術吧。

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