2011年是超導(dǎo)體發(fā)覺100華誕。100年前高溫超導(dǎo)，德國化學(xué)學(xué)家卡末林-昂內(nèi)斯發(fā)覺，當(dāng)氣溫升高到絕對零度附近時，水銀的阻值就完全消失了，這些現(xiàn)象后來被稱為超導(dǎo)電性。經(jīng)過一個世紀(jì)的研究，人們又相繼發(fā)覺，一些材料遠(yuǎn)離絕對零度也能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，這被稱為低溫超導(dǎo)。與低溫超導(dǎo)相區(qū)別，在絕對零度附近的超導(dǎo)被稱為高溫超導(dǎo)。
不論高溫超導(dǎo)還是低溫超導(dǎo)，都離不開物質(zhì)材料。但是近來有位瑞典科學(xué)家提出，超導(dǎo)體也能出現(xiàn)在一無所有的真空中!只要制造出十分特別強(qiáng)的磁場，這么把真空弄成超導(dǎo)體就是小菜一碟;并且這些超導(dǎo)體可以存在于幾十億攝氏度的低溫中，而我們曉得，現(xiàn)今的所謂“高溫超導(dǎo)”，最高超導(dǎo)氣溫也才只有138K(即零下135℃)呢!
真空中出現(xiàn)超導(dǎo)體，這可能嗎?
真空中飽含了“虛粒子”
我們曉得，電壓的產(chǎn)生須要有聯(lián)通的電荷，在普通導(dǎo)體和超導(dǎo)體中，聯(lián)通的電荷都是電子。而且在一無所有的真空中，哪些都沒有，又哪來聯(lián)通的電荷呢?
這個聯(lián)通的電荷可以從真空中生拉硬拽下來!
原先，依據(jù)量子熱學(xué)的測不準(zhǔn)原理，真空并非真的一無所有，雖然上面有許多“虛粒子”在此起彼伏地形成又消失。為何說它們是“虛粒子”呢?由于它們存在的壽命實(shí)在太緊了，連目前最先進(jìn)的儀器也難以捕捉到它們活動的蹤跡。例如說，從真空中形成的正負(fù)電子對，壽命只有10-21秒，而如今檢測時間最先進(jìn)的皮秒激光器，也只能測最短為10-15秒的時間間隔(這相當(dāng)于光走過一根毛發(fā)絲粗細(xì)的百分之一路程所需時間)。
為何這種“虛粒子”存在的時間會這么之短呢?這又牽扯到數(shù)學(xué)學(xué)中另一個基本的定理——能量守恒定理。能量守恒定理說，能量既不會陡然形成，也不會陡然消失，它只能從一種方式轉(zhuǎn)化為其他方式，或則從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，總數(shù)保持不變。在量子熱學(xué)出現(xiàn)之前，化學(xué)學(xué)家覺得能量守恒定理在任何時侯都應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格創(chuàng)立。若果按這些想法，那其實(shí)真空就真是“僵死的”、空無一物的空間了，由于一有粒子形成，不論存在時間有多短，都意味著能量陡然冒出，破壞了能量守恒。
但自從測不準(zhǔn)原理提出后，人們突然發(fā)覺，能量守恒定理只是宏觀時間尺度的一種平均結(jié)果，而在十分短的微觀時間尺度內(nèi)，就不這么嚴(yán)格創(chuàng)立了。譬如說，根據(jù)測不準(zhǔn)原理，這些情況是容許的：在一無所有、能量為零的真空中，一對正負(fù)電子從真空中先借一部份能量下來，使自己暫時獲得“肉身”，之后在10-21秒以后又迅速湮沒，把借來的能量還給真空。這樣，我們要是事后查真空的能量“賬”，仍然發(fā)覺它收支平衡，于是就說能量守恒了;而雖然呢，從更小的時間尺度看，真空能量似乎并不守恒。
打個比方。不妨把真空稱作一家交行，“虛粒子”比作一個不老實(shí)的建行文員，他晚上偷偷把交行的錢挪作他用，晚上及時補(bǔ)上，那人家晚上來查賬的時侯，就總發(fā)覺不了紕漏，于是查賬人就得出推論說帳目沒問題等等。
能量守恒即使可以被打破，但必需要在極短的時間內(nèi)給以恢復(fù)。這好比說這位不老實(shí)的建行文員怕漏出紕漏，總是在下班之前就歸還侵吞的錢，以免對晚上正常的業(yè)務(wù)形成任何影響，并且因?yàn)榘l(fā)懵，侵吞越多，歸還越迅速。同樣的道理，“虛粒子”對于自己從真空“借來”的能量也總是在很短的時間內(nèi)就“歸還”，“借”得愈多，“歸還”愈迅速。這就決定了真空中出現(xiàn)的“虛粒子”壽命總是十分短;并且，“虛粒子”的質(zhì)量越大(相當(dāng)于從真空“借來”的能量越多)，存在時間就越短。
長命“虛粒子”變出真空超導(dǎo)體
我們不是談超導(dǎo)體嗎?虛粒子和真空中的超導(dǎo)體有哪些關(guān)系呢?
這種活躍于真空中的“虛粒子”都是以正反粒子對的方式出現(xiàn)的。它們通常都帶電，所以原則上就可以作為聯(lián)通的電荷。但如今還有一個大問題，它們存在的時間太緊了，如何能作為超導(dǎo)體中的聯(lián)通電荷呢?
辦法是提升“虛粒子”的存在壽命!我們上面早已提及，“虛粒子”的壽命受制于能量守恒的要求。如果不違背能量守恒，這么你愛存在多久就可以存在多久，這時“虛粒子”就變作實(shí)粒子，顯得十分穩(wěn)定了——但前提是，由于你是從真空里陡然“蹦”出來的，你可別給整個宇宙能量的“收支賬簿”添亂!
有哪些辦法做到這一點(diǎn)呢?可以利用于磁場。科學(xué)家很早就發(fā)覺，一個載流子不為零的粒子一旦處于磁場中，它跟磁場的作用能總是負(fù)的，但是作用能的絕對值與磁場硬度成反比。
我們不妨對一個處于磁場中、自旋不為零的粒子所攜帶的總能量做一番剖析。這個總能量可分成兩部份：一部份是粒子自身的能量，包括它的動能和靜止能量(由它的靜止質(zhì)量依據(jù)愛因斯坦質(zhì)能多項(xiàng)式E=mc2轉(zhuǎn)化而至的能量)，這一部份能量永遠(yuǎn)是正的;另一部份是它與磁場作用的能量，這一部份能量是負(fù)的，并且磁場越強(qiáng)，其絕對值越大。
我們由此可以推論，假如磁場硬度足夠大，大到后一項(xiàng)能量正好把前一項(xiàng)能量抵消，這么這個粒子在磁場中的總能量豈不就為零了?這樣一來，它不就沒給宇宙的能量“收支賬簿”添任何亂，于是大自然也就對它網(wǎng)開一面，容許它長時間存在了?
而有了穩(wěn)定存在的聯(lián)通電荷，又是在沒有任何阻力的真空中，這么超導(dǎo)就可以實(shí)現(xiàn)了。并且這些“真空超導(dǎo)體”不受濕度的影響，可以存在于不論氣溫多高的環(huán)境。
我們須要強(qiáng)悍的磁場
倘若能如此簡單地把真空轉(zhuǎn)化成超導(dǎo)體，那對人類來說真是福莫大焉!可惜，這只是一個美好的構(gòu)想，目前來說實(shí)現(xiàn)的可能性幾乎為零。由于要實(shí)現(xiàn)這個構(gòu)想高溫超導(dǎo)，須要很強(qiáng)很強(qiáng)的磁場。
須要多強(qiáng)的磁場?理論估算，起碼須要1016特斯拉(這個量級有多大?月球到太陽的距離是1011米的量級，而真菌的尺度在10個微米的量級。若果讓真菌首尾相接，從月球排到太陽，這么須要的真菌數(shù)量大概就是1016個)。可你曉得么，目前月球上能獲得的最強(qiáng)磁場是多少?才30特斯拉!差別是兆億個量級。事實(shí)上，那么強(qiáng)的磁場，雖然在廣闊的宇宙空間也極其罕見。迄今，天文學(xué)家在宇宙中發(fā)覺的磁場最強(qiáng)的天體(一類叫磁星的中子星)上發(fā)覺的磁場也不過只有1010特斯拉，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠把真空弄成超導(dǎo)體。
不過這項(xiàng)理論的提出者覺得，其實(shí)在宇宙初期這種現(xiàn)象可能出現(xiàn)過。現(xiàn)今遍及整個宇宙的強(qiáng)悍粒子流會不會就是初期宇宙把真空弄成超導(dǎo)體后形成的呢?另外，他還預(yù)言，其實(shí)可以在法國強(qiáng)子對撞機(jī)上重演這一可能。他做過估算，當(dāng)兩個鉛原子核在強(qiáng)子對撞機(jī)上以特別高的速率擦肩而過時，大約在10–24秒的頓時，將會形成高達(dá)1016特斯拉的磁場;其實(shí)就在那頓時，兩個鉛原子核附近的真空就弄成了超導(dǎo)體了。
原先，真空超導(dǎo)體離我們并不遙遠(yuǎn)。