2023神迹成真,实现阿凡达悬浮山的技术
刘军连工作室 http://baijiahao.baidu.com/s?id=1706425078084619732&wfr=spider&for=pc 最近除了ChatGPT,还有一个超级火的科技话题。 年3月初,在拉斯维加斯举行的美国物理学年会上,出现了百年难遇的一幕,所有的物理学家都一窝蜂地跑去听一位物理学家的研究成果报告。他叫迪亚斯,是罗切斯特大学的物理学教授。礼堂里人挤人,就连礼堂外的过道上都挤满了人。在演讲开始前15分钟,保安都不得不把礼堂大门锁起来,禁止听众再往里挤,实在是装不下了。门外的听众很遗憾,不过他们其实也没错过什么,几天之后,自然杂志上就发表了迪亚斯的研究成果,在经过其他媒体的转载介绍,全世界都轰动了,世界各地的科学家都来围观,有的干脆就拿起了放大镜仔细研究。文章的主题很简单,用氮和镥,也叫镏金,用氮、氢、镥三种元素做成一种氢化物,叫红物质redmatter。这种新材料可以在21摄氏度的常温,1万个大气压下成为超导材料。这个结果让所有物理学家都惊呼,世界难道真的要变了吗?你可能会觉得奇怪,为什么超导会这么吸引物理学家的眼球呢?往悬了说,超导可以让阿凡达里的哈利路亚山漂浮在空中。对,你没听错,这些山悬浮起来并不是因为超自然的神力,而是因为超导虽然都带个超字,但是机制不一样。我们后面会解释悬浮神迹是如何发生的,那要往现实方向说,超导可以实现磁悬浮,列车可以做更好的核磁共振仪,甚至手提电脑都不会发烫了。那今天最重要的问题就来了,什么是超导?顾名思义,超导就是超级导电体,一般的金属导体都有电阻,也就是都有阻止电流流动的特性,而所谓超导,就是在特定条件下让金属的电阻为0,关键就是这个特定条件是什么条件?今天我们就来好好说道说道。金属导体其实是一种晶体结构,晶格由原子核组成,周围有电子,通常电子就像风一样到处乱跑,但当给金属导体施加了电压之后,电子就会乖乖的像水流一样朝着一个方向跑了,这样金属就可以导电了。但是有一个问题,就是晶格会时不时的对电子拳打脚踢一下,再加上电子之间互相也会碰撞,也会打架,所以一部分电能就会丢失,这个时候你就会发现导体会变热,这就是金属导体的电阻现象。实际上电能是以这种方式被耗散掉了一部分。 年,亚当斯水电站在尼亚加拉瀑布落成,给千家万户在黑夜当中带来了光明,大众都很高兴。可物理学家们纠结的是,在大规模输电的时候,很多电能是白白被浪费在了输电线的电阻上。于是物理大咖们就在想能不能杜绝浪费,找到一种电阻为0的导体。大多数人就是这么想,一想就算了,但是有一个人真的上心,就动手开干了。 年,一位叫昂内斯的物理学家激动地向世界宣布,他找到了零电阻导体的候选材料了。昂内斯说汞,也就是通常所说的水银就可以实现零电阻,它就是超导材料。正大家举起手来要拍手为他庆祝的时候,昂内斯又不紧不慢地说,慢着。得有一个条件,就是得把水银降到零下.81摄氏度。这个时候,水银的电阻就会突然消失,电流就会畅通无阻地从水银的这一端传输到另一端,零损耗。 大伙一听,全都傻了,什么?零下.81度?这个条件实在要求太高了,只要温度一上升,哪怕上升0.01摄氏度,电阻立刻又出现了。昂内斯把水银出现0电阻的现象叫做超导性,所以超导这个词就是这么来的。出现零电阻现象的零下.81摄氏度,叫做临界温度。发现这个超导现象为昂内斯赢得了年的诺贝尔物理学奖。大家一看,既然水银可以做超导材料,那还有那么多金属,那么找到其他更为实用的超导材料的可能性还是大大滴。于是成千上万的投资砸入了这个行当,科学家们也纷纷涌身跳进了超导的坑里,埋头苦干,想要寻找到理想的超导材料。一晃21年过去了,德国的两个物理学家麦斯纳和奥克森菲尔德有了新发现,就是如果把一个外加的磁场施加到超导材料的时候,这个超导材料会强烈的排斥这个外来的磁场,让它绕着走,那这时超导体的内部就形成了一个无磁场的区域,现在把这种完全排斥外部磁场的现象就叫做麦斯纳效应。 什么意思?简单的说,你要想看到麦斯纳效应,只需要把一块磁铁放在超导体环的上方,这个磁铁就会很神奇地悬浮在空中了,而且位置还很稳定,这就是超导体的磁悬浮效应,看起来很超自然,其实它就是来自于超导材料的麦斯纳效应也是带了一个超字。现在日本新干线上往来自如的高速列车,它就是利用了超导的磁悬浮效应实现的,它可以大大的减小列车运行中和钢轨的摩擦,提高能源的利用效率。当然这是后话了,说到这儿我们就可以解释为啥电影阿凡达里的哈里路亚山是悬在半空中的导演卡梅隆所设计的潘多拉星球,它位于半人马座的南门二三合星系,距离地球大约4.4光年。潘多拉其实只是一颗卫星,它围绕着主行星波吕斐莫斯运转。哈里路亚山就是在潘多拉星上,山表面覆盖着茂密的雨林,然而山体内部就有名堂了,却是一种超导物质,叫难得素,难得素和潘多拉星球的液态金属内核的磁场产生相互排斥作用,那这股排斥的力就把哈里路亚山稳定地悬浮在了空中。这和超导材料的磁悬浮特点是一毛一样。于是潘多拉星球上就出现了这么一幅人间仙境。换言之,得有三个条件,1、某个星球上存在着天然的超导材料。2、星球上有金属内核,从而有磁场,和超导材料发生了相互排斥的作用。3、也是非常关键的,天然超导材料得在常温常压下就能发挥作用,那我们就会看到这幅奇景了。这是介绍超导材料的麦斯娜效应的题外话。 话说回来,德国科学家的发现让世界对超导的兴趣更浓了。物理学家们开始追根溯源,想找出超导的原理。有了理论的指导,实践才会来得更快。20多年过去了,理论终于有了。年,三位美国物理学家巴丁、库珀和肖福一起提出了bcs。理论。bcs理论的核心思想就是超导体的电子之间通过相互作用,形成了一种凝聚态,叫库珀对,当电子形成库珀对之后,超导体内部的电子就不再是一盘散沙了,他们集体协同行动,就相当于是治好了他们的精神内耗,电子之间就不会互相碰撞打架了。金属晶格也不敢再对他们施以拳打脚踢了,都用不上力了。因为库破队是让电子们呆在了一个最低的能级,所以他们就会像光线一样畅通无阻地在导体里流动,没有任何损耗,所以就达到了电阻为0的目标。知道了原理之后,科学家们反而没有那么兴奋了。 为什么呢?因为绝大多数超导材料都有一个局限性,那就是只有在极低温下才能够进入超导状态。比如年昂内斯发现的水银,必须要冷却到零下.81摄氏度以下才能出现超导特性。年发现金属铌在零下摄氏度能变成超导体,年又发现氮化铌在零下摄氏度也能出现超导现象。但是这些超导材料的临界温度都太低了,需要昂贵的液态氦来制冷,就无法在日常生活当中大批量使用。从商业上来讲,投入的资金比产出要贵几倍,所以商业价值为负数,也就没有应用的可能。 直到年,科学家们终于找到了另一种超导材料,就是临界温度在零下摄氏度的氧化铜合金,钇钡铜氧,这才让超导从实验室走向现实世界的应用变得可行了。这种材料所要求的温度虽然仍然很低,是零下摄氏度,但好歹是高于零下度了,科学家们可以采用更便宜的液氮来取代液氦制冷了,而且超导材料采用了复合金属,这算得上是超导领域的一个里程碑。 之后超导科学家们脑洞大开,各种稀奇古怪的复合材料纷纷出台,超导的临界温度也不断上升,其实也就是不断降低了超导的实用门槛。年,德国化学家宣布一种叫十氢化镧的材料,在零下23摄氏度就能够出现超导性,这个温度就非常接近多伦多最冷的天气了,对人来说是冷的挺不住,但是对超导材料来说,就算暖的接了地气了,它是目前公认的最高温度下的超导体。但是你也别忙着欢呼,这种新的超导材料要能够进入应用,还有另外一个条件,零下23摄氏度只是温度条件,还得有压力条件,这种超导体得待在G帕的压力下才能进入超导状态。G帕是什么意思?要知道地球海平面的大气压只有一个标准气压,大约是1/G帕,G帕的压力也就是大气压力的万倍。那这得是啥金刚材料才能承受超导体?它不能是光溜麻杆的就起作用,它得和其他普通材料一起制作成设备,才能在我们的真实世界发挥作用,对吧?那普通材料压根就没戏嘛。所以这个发现也没啥实用价值,大伙都洗洗睡吧。 终于,年3月传来了好消息,大伙等来了迪亚斯的超导红物质redmatter。迪亚斯说,他所发现的红物质可以在摄氏21摄氏度、1万个大气压的条件下称为超导材料。虽然你一听1万个大气压很多,但是比起G帕,万个大气压已经小太多了,已经能够让人接受了,别的材料也能够承受这么大压力了,最普通的材料学实验室都能够有这个条件。 于是科幻粉们脑洞大开,那是不是说哈里路亚悬浮山有可能成为现实?是不是在我们的环境当中就能够凭这种技术以后搞出一个主题公园,我们也能饱览一番潘多拉星球的奇景?当然,绝大部分人是务实的,他们关心的是,这个新型超导材料是不是很快能够应用于发电厂、电脑、手机这些和人们生活息息相关的产品当中。 正当美好的未来大门向人们敞开的时候,踢馆的来了反对派发出了质疑的声音。加州大学圣地亚哥分校的物理学家赫希看完迪亚斯的文章之后,摇了摇头说不靠谱。老贺说,我可不是杠精,也不是妒忌人家的发现。我得出这个结论是有原因滴,因为在年,迪亚斯的团队在自然杂志上曾经发表过一篇文章,叫做在室温下发现的超导性。这篇文章当中说团队找到了一种新型材料,是一种碳质硫氢化物,简称csh,这种材料在14摄氏度2.67G帕就能够进入超导状态。 老贺刚看到迪亚斯的结果的时候也很兴奋,就立刻问迪亚斯要实验数据,因为实验本身要能够得到同行的验证,可以被重复,这是任何科学进步得到普遍接受的惯例,可是迪亚斯却拒绝了老贺要数据的请求。老贺心生怀疑,于是利用自己在学界的身份,联合同行给迪亚斯施压。 如果没有猫腻,你为啥拒绝同行验证?迪亚斯实在是压力扛不住了,才不情不愿地交出数据。老贺和同行仔细检查之后得出结论,这个数据要不然是处理出了错,要不然就是故意捏造的。于是他们联名向《自然》杂志提出请求,得撤回迪亚斯的文章。迪亚斯当然不服气,凭啥把我的文章拿下去?他进一步解释说,我的实验条件是很特别的,是因为需要用到一种叫金刚石压砧的设备,压注超导材料,施加巨大的压力才能够得到发表的超导数据。所谓金刚石压砧又是什么东?它是材料物理实验室里的高压设备,一般实验室都可以轻松拥有,它能产生几十万到上百万个大气压。但是还有一种就是迪亚斯所说的特殊金刚石压砧,一般实验室就没有了,这种设备可以轻松的施加相当于几百万个大气压的压力。设备的主体有两块金刚石,一上一下,中间能夹住一颗直径小于1毫米的物体,比如迪亚斯发明的这种红色物质。迪亚斯说,只要用这种高压设备,就能够让红色物质中的气态氢,变成金属氢,于是就能够实现超导了。于是他一口咬定自己的数据是靠谱的,没毛病。我这些同行都是一伙酸民,他们妒忌我。 然而老贺和其他反对者们并不退缩,他们说迪亚斯的数据显示,其实只需要2.67万个大气压就能够搞定了,用不着几百万大气压级别的金刚石压砧,只要普通的金刚石压砧就可以拿到数据。所以迪亚斯说的还是不靠谱。双方的口水仗打了将近两年,最后在年还是老贺一派占了上风,《自然》杂志发表声明,把之前迪亚斯的文章给撤下来了,迪亚斯这边也杠上了,他越战越勇,又在年发表新的论文,而且条件放得更宽了,只要1万个大气压就能够搞出超导材料,这样就把超导材料的应用门槛大幅度降低了,离日常生活当中的应用就只有一步之遥了。 老贺心里就想,年的时候,你用2.67万个大气压都做不出靠谱的实验数据咋回事儿?仅仅过了几个月,你只要一半的大气压就能够做出来了?老贺于是就大摇其头,觉得这事儿不可信,不靠谱。但这次迪亚斯可是有备而来的,他在阿阿贡和布鲁克海文国家实验室对碳质硫化氢CSH材料做了额外的实验,而且还邀请了几位独立科学家来观战,来观察金刚石压砧内材料的超导转变。芝加哥伊利诺伊大学的物理学家萨尔克作为独立的第三方参与了新的测量。萨尔克观战的结论是新的,这轮研究的确证实了csh这种新材料的超导性。他说这种材料就是迪亚斯所说的红物质,很了不起,很可能是超导领域的一个重要里程碑。就在两边吵吵嚷嚷的时候,行动派科学家们开动了一些实验室,根据迪亚斯所提供的数据,试图在自己的实验室里复制它的结果。目前已经有两个实验室公开宣布无法复制,其中有一个就是中国南京大学的实验室,也用了迪亚斯所说的金刚石压砧这种特殊的仪器,但是啥也木有。同行验证有困难,那是不是又证明了迪亚斯在出幺蛾子,这回又在作假?别急,迪亚斯不慌不忙地说,红色材料的配方不是任何实验室都能够精确掌握的,迪亚斯等于说,我手上有秘方,你们都不知道。听起来这个回答像是耍赖,但是对于这个答案,超导专家们其实也认可,因为材料科学千变万化,配方稍微差那么一点,就不是同一个东西了。于是反对派们只有督促迪亚斯的团队分享他们的完整原始数据,以及详细的样品制备方法、秘方你也得拿出来,你拿出来我们才能够验证。但是迪亚斯又来了这么一手,他双手一摊,说,对不起,哥们,我已经申请了专利,而且还搞了一个初创公司,Spotify和Openai这些大公司老板给我投资了0多万美元呐。所以配方对不起,得保密,不能够交给你们验证。openAI就是搞出了ChatGPT聊天AI的公司,看来他们在其他尖端技术领域也野心勃勃。 那么在长温下制造悬浮山的技术是不是真的已经诞生了?或者说它又是一个骗局,我们也许还要再等上一段时间才能见分晓。从年开始,几大尖端技术领域似乎突然间就有了突破,分别是可控核聚变,也叫可控核融合、以ChatGPT为代表的AI技术,以及今天所讲的室温下的超导技术。 难道说期待已久的突变奇异点已经降临了吗?不知道您是怎么看的?那么好,今天的故事就分享到这,谢谢大家。 |
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