第六章 若干世界之谜的新见解
第六章 若干世界之谜的新见解 三、关于“超导现象”
1911年荷兰物理学家卡麦林和翁纳斯发现，在汞的温度降到零下269℃（4.2Ｋ）时，它的电阻突然消失，这种导体对电流没有阻力的现象被称为超导现象。
由于超导体对人类具有很大的实用价值，若干年来，人们在此倾注了很大的注意力。发现或制造一种具有较高临界温度的超导体，使超导进入实用阶段是人们努力中的目标。近年来Y-Ba-Cu在朱经武、赵忠贤的实验中表现出（零下183℃时实现超导）对超导体实用研究取得了可喜的进展。但是在我们看来，以往对超导现象成因的探索并没有接触到事情的本质。因此，造成有关的实用研究处于一种“四面摸索”的状态，使成果的取得往往带有较大的偶然性。如果真正理解了超导的成因后，研究中的偶然性就将最大限度地被目的性所取代。
“金属有晶格结构，如果这个结构呈完整周期性排列，电流的平面波通过时就不会被散射，因此也不会有阻力。但是金属的晶格往往因为位错、缺陷、杂质、应力等原因实际并不会完整。所以电流经过时，就会发生对电子的散射，从而引起晶格的热振动，电阻也就随之发生。因此温度的降低在减弱热振动的同时也就降低了电阻……”
我们不知道这种导电原理的持有者如何看待早已存在另一种导电原理，但我们知道，这两种理解之间是很不相同的。另一种导电原理或者还带有经典性，但由它出发超导现象得不出恰当的解释，因此被超导理论所摒弃。
“在原子们结成一个整体时，结晶靠近原子核的电子壳层中的电子保护不变，而最外层的价电子则参与原子间的结合。在有关的结合中，分布着几条“带”：能带、空带和禁带。晶体中的电子由低能到高能按顺序填充能带。能带中空着的电子态能量与被占有态相连，能带的填充情况在电流通过时，能否被较容易的改变便是导体导电性能优劣的由来。”
而绝缘体的由来是因为其能带被自身的构造的电子所填满而无法在电流通过时发生改变的缘故。
半导体则是因为晶体中的杂质在已填满的能带中造成空穴或在空带中进入若干电子的缘故。
平面波（电流）能否较容易地改变晶体中能带的电子分布状态，是晶体电阻值大小的成因。这个理论是以各种原子的“物理性质”作为自己前提的。这与超导理论中电阻的成因是因为晶体中晶格的完整被破坏的理解毫不相同。其实在这里，谁是谁非根本无法理出头绪。因为晶体导电的原因与这两种理解没有关系。晶体导电的原因不过是晶体中的电子对外来“负压”的某种传递或转嫁。
在此，我们决无标新立异的意思，只是因为事实的确如此。 首先，人们可以由许多原子们在较低的温度下凝聚成固态的事实中看到，原子们作为生命体，它们在低温来临时发生凝聚不过是一种生命为应付恶劣条件而表现出的本能。因为在晶体这种态势中它们作为个体可以使自己在恶劣条件借助整体的力量来最大限度的保障自身。于是原子们一旦在外部条件不适于自身活动时，就很快地向一起凝聚并结晶。
由于结晶是原子们自我保护的“本能”所形成的“阵容”，因此它必然是有序的整体。这就是人们在结晶中看到规范场结构的原因。因为只有在规范场结构中，晶体才能再现原子本身的各种规定性，而结晶本身也才能达到“有效”。
晶体结构一方面由原子依本身的规定性来构造，一方面又由各原子的价电子来联接完成。
“在晶体中起联结作用的价电子”，请人们注意，我们终于把“导电”这出戏中真正主角由幕后请到了前台。
价电子如何完成它们的使命呢？为什么它们在完成各自的导电使命时有千差万别呢？
在回答人们的问题前，我们想试着问人们一个问题：电是什么？它是如何生成的？
电就是电子通过电荷这种形式所表现出的能量状态，它可以是静电也可以是电流。
静电可以由物体表面的原子在外界作用下丢失或得到电子而形成。电流是由磁场中的磁力线的作用而生成。
人们会象老师一样给我们如上回答。因为对静电和电流这类事实的记录早已载入课本。但我们并不满意人们这样的回答，因为这种回答起码在电流形成这个问题上仅仅描述了一个表面过程。磁场中的磁力线是如何造成电流的呢？回答这个问题：法拉第的电磁感定律和麦克斯韦的方程组的贡献仅在于他们具体的记录了有关事实，而对电与磁之间为什么存在着转换关系，他们并没给出交待。这个情况如同牛顿在正确的记录了重力这个事实但又未能解释它的成因一样。
其实，事情的来龙去脉在有了规范场理论后显得十分简单。因为电场和磁场不过是场对应中的两端：电场作为电荷存在的直接效应，它的性质为阴性为实体，而磁场作为一种相对独立的场形式，它的性质为阳性为非实体。由于阴与阳完全是相对的，因此电场和磁场即可区别又在互相转换。所谓安培力和洛伦兹力中的电磁感应以及后来所发现的电场和磁场呈交替分布说的都是电磁间的对称（或对应）。而电动机和发电机可以一机两用就是这方面的有趣的例子：
在电机被接通电源后，分布于电机“定子”中的导体周围便出现相应的电场。这个电场立即与“转子”中由磁铁构成的磁场发生感应电势。它们立即形成一种动态中的对应。开始沿感应电势的方向作相对运动，动态磁场相对电场旋转，电机开始作功。 电机在机械的带动下旋转时，人们是在一个相反的用途下使它，而且这里的一切也都是相反的：“转子”也就是磁场在高速运动中，磁场自然表现出场的活力，它的对应方向上必然就会出现相对的电场。事实的确如此，于是电机开始发电。
法拉第的电磁感应不过是某一种规范场中的结构效应，阴阳的对应仍然是这里的核心。
然而，事情并未到此为止，电场在磁场的运动中出现了。电能又是如何形成和输出的呢？请人们注意，我们终于快回到前面的话题上去了。
本节我们探讨的是导电中的超导现象，为了理解超导我们认为必须重新理解导电的成因。因为在我们看来，以往在此的理论是错误的。而这些错误主要在于它们都以电流在导体中取正向流动为前提，也就是说发电机输出的是电子或者说是流动的电荷。而我们认为电机输出的是负压，这里的情况与抽水机的工作原理相似。于是真正的争论就将从这里展开。
电场对应于磁场而形成，但电场本身并不是电荷，也更不是电流。它本身不可能离开磁场被输入导体，那究竟是什么被送入导体中而产生了电流的呢？这正是我们所要告诉人们的。
电场是围绕电荷发生的，它通常不能离开电荷而独自存在。但电场作为一种能量形态，它在出现后就会立即本能地去创造使自己存在下去的合理条件。因此，电场在对应于磁场出现后，立即开始寻找使自己趋于完整的电荷们。而这些电荷又只能存在于电场周围物质中的电子那里。（电荷即参与电现象的电子）电场为了自己得到“配套”，也只能通过努力去“强占”周围物质中可能被占用的电子。而周围物质的原子中也的确存在着这类可能被占用的电子，这就是人们早已熟悉的电子壳层最外层的价电子。
价电子在原子们处于凝聚态时，依自己的功能便担当起联接各原子的任务。但是这类金属键的联接与化学反应中的共价键联接有很大的不同。在化合物中，参与化合的价电子基本上被完全占用，而在原子的凝聚态中价电子却有相对的自由度。这个情况可以由金属大都具有很大的延展性中看出。由于价电子在凝聚态中的这种特性，也就为电场占有它们提供了可能性。
首先是电场周围物质处于表面的原子中的价电子首当其冲，电场立即使它们成了构造电场的电荷。由于电场的每一份物理量都需要同等的电荷来与之对应。当并没有足够数量的电子来成为对应电荷时，首当其冲的电子们无可避免的承担了过大的电场所需电荷的对值应，在它们承受不了这个任务的时候，它们便本能向身后的电子们寻求帮助，从而将奔涌而致电场的物理量向后转嫁。而它们身后的电子也立即在无力应付中去重复同样的行为。由于电子所特有的速度，这个转嫁瞬间即层层传递出去。这个由电场占用周围原子中的价电子，从而引起价电子们相对该电场采取集体对应的过程，就是人们所说的导电现象。人们可以看到转嫁的方向是在向前推进，但其根源却是一个负压。如果人们对负压这个提法尚感朦胧，那请人们再看一下皮毛或绸缎摩擦玻璃棒等绝缘体时的情景。
在有关的摩擦中，必然在皮毛与玻璃棒间出现一个电场和磁场。电场自然也需要由周围寻找电荷来与它对应。玻璃棒表面的硅原子中的价电子便被强制充当了这个角色。可是玻璃作为一种非结晶的凝聚态，它表面的硅原子中的价电子无力将被电场占用的状态转嫁出去，致使这些处于表面价电子或者被电场剥离，或者被加工成能量较高的电荷。这两种情况都改变了硅原子原有的电荷状态，但原子们又总是趋于自己的常态。因此在外部电场解除后，硅原子们立即开始恢复被改变了的身体。这时，它们无论是寻找电子来补充自己缺损，还是寻找电子来转嫁自己身上过多的能量，在这两种情况下，它们都表现为“吸引”。这个吸引实际是对原电场负压的延续。现在我们来解释一下为什么会有导体、半导体和绝缘体，而各种导体的电阻为什么又那样不同。
在化学中，人们常常为那些形形色色原子们的形形色色的物理特性所惊叹。同是原子为什么它们如此不同呢？其实这里的原因很简单，这不过是因为各种原子内部结构状态不同。这种不同结构状态使各种原子的价电子也都具有各不相同的性能。这些不同的性能也必然会在刚才所说的转嫁电场的负压中反应出来，它们的区别主要来自各种原子的价电子在有关的凝聚态中的自由度，自由度越高的原子其导电性能自然越好，反之亦然。因此，人们看到导电性能完全不同的导体，以及半导体和绝缘体。（半导体由于是杂质的性质决定的，它在形式上有些特殊，但原理是一致的。）
导体的导电性能在不同的温度下有不同的表现。温度升高时，导体的电阻增大；温度降低时，导体的电阻变小。在温度降到导体的临界温度附近时，电阻突然消失。显然温度是这里的外部条件。真正需要说明的是温度通过怎样的内在机制来改变电阻。
在我们的理解中，价电子是导电的承担者。但价电子又必须反映它所隶属的原子的物理属性。如果温度能作用于原子们的活动状态，那价电子也就必须反应温度的变化。而原子们的活动又必然会以温度这个物理量为前提。温度升高时，原子们的活动增强，而原子活动的增强就意味着场结构力的增强，而场结构力的增强就意味着价电子自由度的降低，反之亦然。而在电场作用于价电子时，原子必然会不同程度的由价电子身上吸收大小不等电能，从而在增加活力时增加了温度，而温度的增加就意味着电阻的增加。温度的高低对应着价电子自由度的高低，同时也就对应着电阻的高低。
当导体的温度持续降低时，电阻也在同步降低，因为这时“价电子”的自由度越来越大。但是“价电子”作为联结凝聚态中的原子的联接物来说，它不可能充分自由。因此，电阻的降低依情理终会面临一个极限。然而，在温度继续降低时，有相当一部分金属的有关极限非但没出现反而出现了电阻的完全消失。这个现象的发生意味着一种情况：这就是凝聚态中的原子们的价电子获得了完全自由。而人们根据对超导中的特有的“库珀对”的了解已经证明了我们的观点。
请人们回忆一下存在于超低温下的很有意思的现象：当氦在低温下被液化后，氦原子双双结成了那有名的“库珀对”。由于“库珀对”符合玻色－爱因斯坦统计，因此“库珀对”实际就是玻色子。（玻色子是两个“阵营”结成的团体，本质上它不是粒子而是一个过程和范围所有的费米子由这里走出来的。）氦原子结成“库珀对”实际上是一种向始初状态的回归，因此氦原子在“库珀对”中表现出了它们玻色子这种始初态时所具有的功能和活力。它们可以轻松地几乎毫无阻碍地以低速度流过就连氦原子也无法通过的极细的毛细管（10 米），而且还可以向上爬出容器（氦膜流动），这种神奇的特性和活力使人们送给它一个很美的称号－超流体。在氦原子双双结成对时，氦便表现出一种难以置信的神奇活力，而在人们在大量的实验中发现金属的超导现象常常也发生于金属原子的价电子双双结成库珀对之时。1957年由库珀和施里弗、巴丁等人所建立的“BCS”理论所以能够解释大量的超导现象，其成功的内核就在于电子的这种性质的揭示上。人们在这里可以明显地看到，超导现象来自导体中的价电子在结成“库珀对”后的前所未有的活力。我们认为对电子的这种活力的成因的理解是超导研究的关键之一。
在我们看来，电子结成“库珀对”时，它们无疑取了一种阴阳相合的态势，这即说明了电子生成于宇宙间时就曾经历过这种状态（玻色子状态）电子都是在玻色子态中一分为二后的结果。
表面上看，我们似乎已经给了超导以大致的交待。实际上，这里几乎没有什么太多新东西。真正有意义的事情也只不过才刚刚提出，这就是低温在此对应了电子中的怎样的机制才催化了如此神奇的效果呢？这才是超导的根本所在。
人们都知道，尽管已经有五千种合金和化合物经人们努力被制造成超导体，但是至今只发现所有的百余种元素中的28种在低温下显示了超导的特性。也就是说只有28种原素中的电子可以在低温中转化为超导中的玻色子。
这个事实提示的是什么呢？人们知道作为单独的电子，它们的物理性质都是相同的，一些元素中的电子不能在低温中转化为玻色子，是因为有关电子所隶属的元素们的物理性质决定了它们不能这样。问题终于被提出来了，百余种元素在超导的含义上可分为两大类：可对应于低温的和不可对应于低温的两类。如果人们再联系一下那些超导中的电子在本质上是一种向始初态的回归。那人们是否可以合情合理的推出，能在低温下发生超导的那28种元素实际上在它们最初在地球中生成时就曾与地球中的低温条件不过密切的关系。我们认为低温也是种物理能量，而超低温还是一种高能，如太阳就是靠在银河系中攫取低温来生存的。因此，我们认为有关的可以在低温下呈现超导的28种元素实际是28种亲低温元素。人们以往认为以金属发生超导现象时，它们的晶体并没发生相变，我们则认为这是由于人们在有关的现察忽视了一类极为重要的相变，这就是结晶中的原子们在有关的低温来临时它们都会通过原子的两极在低温中形成一种新的“集团效应”关系，为了实现有产的“极联接”，原子们在原结晶中可能需要轻度的扭转一下身体，因为在原结晶中对极性对应的要求要嗵不太严格。当严格要求到来时，它们就必须再调整一下有关的角度。由于这个动作很小，人们便可能会疏忽了它们。
在金属原子们实现“极联接”时，它们原来的联系纽带－价电子便被相对闲置，再加上电子们对应低温便会去回归初始态，超导便由此发生。
我们这个认识人们可以由超导体的这样几个性质去推敲：在著名的“超导环”中的感生电流可以在自持中毫不衰减地持续下去，我们认为这种持续并不是完全得力于零电阻，低温能量对它的支持应是必要条件。
超导体有一种特性，即磁力线不能穿过它的体内，它只能说明超导体中的原子们利用它们的极性已结成一个十分严格的整体，外部磁力经不能穿过它的身体，有力地证明了超导体中的原子们的极性已被它们的需要全面占用着。（所谓迈斯纳效应）
但是超导体的抗磁性是有限度的，当外加磁场超过一种称之为临界磁场的数值时，超导态即被破坏而转入正常态。这个事实从反面证明了超导体内的原子们在超导中取得的“极联接”的态势，因为外加磁场在此破坏的无疑是超导体中的统一极性，而统一极性的破坏便导致了超导体性质的消失。
在此人们可以看到由于有关的28种元素在超低温的条件下实现了整体的“极联接”，因而最大限度地解放了价电子从而获得了超导性质，那人们也可以顺理成章地认为，只要可以在导体中实现“极联接”，就可能实现超导。在这里那种苛刻的低温或许并不是必要条件。液氮II在4°K附近才能因结成“库珀对”而呈现超流性质，而超导体中的电子常常也是在10°K以下的超导中才结成“库珀对”。但是近年来超导体的临界温度早已突破10°K ，如我国的朱经武、赵忠贤已将超导的临界温度提高到80.2°K 。这个情况说明超导或电子的“库珀对”或许并不是一定要对应于超低温才能发生。如根据“BCS”理论，在“费米面”附近的两个电子之间只要存在着净吸引，不管这个吸引有多么微弱，这两个电子都可以形成束缚态－库珀对。这也就是说只要能在导体中造成净吸引就可以造成超导。而净吸引是否一定要对应于超低温呢？
在我们看来这里的关键还是在于如何造成导体中那种微小的相变－“极联接”，因“极联接”机制可以有效地抵抗外加磁场，从面实现电子间的净吸引，从而生成库珀对，从而造成超导性质。
如果我们的这个思路还称得顺理成章，那这也不过是规范场理论的结果。