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萍聚头条

楼主: eisenstange

[其他学科] 物理学与物理学家们(zt)

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 楼主| 发表于 2007-3-30 18:42 | 显示全部楼层
  最令费曼吃惊的是一次他在酒吧里和舞女的谈天。有个浓妆艳抹的女郎盯了他半天,突然说道:"您大概是位物理学家费曼吧。"
     这是费曼第一次在此种场合被人识破身份,表情有些不自然起来。
     那位舞女不依不饶,继续说道:"您应该认识盖尔曼先生,或者施温格先生吧!"
     费曼险些把嘴中的酒水一口喷出来,盖尔曼也是一位出名的物理学家,跟自己关系再熟不过,他也喜欢来这种地方自己倒是从无耳闻,至于她如何识得从不露头的老夫子施温格,简直就是匪夷所思。
     更令费曼吃惊的这位女子居然把他们几人最近的工作说了个大概,虽然有些专业术语用得不够准确。
     费曼哪里还有心思跟她闲聊,连忙借故告辞,边走还边心有余悸地想,这个世界怎么变得连我都快认不出来啦?退到门口,才看见那位舞女的座位上放着一本最新的《时代周刊》,盖尔曼,施温格和自己的相片位于封面最醒目的位置上,不用说里面有更详细的介绍。
     原来如此,费曼擦擦头上的汗。

不光在生活上,即便物理学上的费曼在大部分人眼中都是只知道瞎胡闹的狂人。但是他们都看走了眼,费曼算得上是整个时代最机智的物理学家。
     他对量子力学的原先的表示方法极为不满,干脆自创了一套路径积分的方案,很多人初看几乎笑掉大牙,但后来证明,这是和薛定谔的波动方程,海森堡的矩阵力学鼎足而三的重要表述,量子场论找到了一个突破口。
     当费曼处理到重整化问题时,开始也是被骇人听闻的计算量吓得半死。但他又想起了小时侯的花招,一条直线就代表一长串公式,一条波浪线又代表另外一串,如此一来计算倒是大为简化,只是公式变得有些惨不忍睹,他可不管这些,只要有用就行,这是美国人典型的实用主义的作风。
     多亏费曼找到了图解的办法,即使在今天,所有物理系的学生一看到课本上有施温格名字的地方就烦厌倍增,因为这意味着后面不知还要紧跟多少费解的公式,而看到费曼时则大多喜笑颜开,简单地写写画画就解决很多麻烦的问题,单就这一点来说费曼对后世学子就算得上惠泽无穷。
    
     但在那次大会上,尽管费曼陪尽小心在黑板上画着一个又一个迷人的图案,台下众人仍是神色不善,尤其玻尔一直铁青着脸。到后来,玻尔又一次忍不住站了起来,不客气地道:"费曼先生,我的建议是您应该重新进学校好好重修量子力学。"
     这次会议不欢而散,但此后人们逐渐发现施温格和费曼的方法都可以用来处理场论里一些最复杂的问题,尤其费曼的图解法更是堪称经典。慢慢电磁场的各类问题全部迎刃而解,场论在电磁场中的分支量子电动力学(QED)成为迄今为止最精确的理论。
     精确到何种地步呢?电子的磁矩,原先单纯用量子力学来算偏差极大,而经过量子电动力学的修正,实验和理论的误差被控制在100亿分之一的范围内,而且显然误差的问题还是出现在实验那边。人类直到今天,还没有一种理论能象量子电动力学一般如此精确地预言自然界。
    
     看来施温格和费曼当之无愧是量子场论中收复河山的人物,但事情到这里没完,远在日本的汤川秀树的好友朝永振一郎也曾发表文章阐述了自己对量子电动力学的基本看法,他的路数虽然复杂不堪但与前面二人全然不同,由于战争期间讯息的阻隔,当美国的同行们知道后,已经是1949年了。
     所有的人看到朝永振一郎的文章后都面面相觑,一下子出来三种不同的解释,看起来又都说的通,究竟是怎么回事呢?
     这个世界上当真奇才代出,美国的戴逊居然完美地证明出这三种理论完全等价。他只怕是当时世界上唯一能够彻底弄通这三种理论的人。界于玻尔始终顽强的反对,这三人直到1965年玻尔逝世后才分享了当年的诺贝尔物理奖,戴逊在给他们每个人发的祝贺电报上只有两个字,"终于"。
     当施温格接到祝贺他的诺贝尔奖的电话时,他正在给研究生讲课。他在电话里只是简单地说了声"知道了,谢谢。",然后回到课堂继续他那些复杂公式的推演。不料研究生们也同时知道了这个喜讯,他们再也按捺不住喜悦的心情,一个个跑出去筹办庆祝晚会去了,只有施温格一个人孤单地站在讲台上,认真地在黑板上写上最后一个公式的最后一个字母。
     当费曼接到电话时,他反问了对方一个做梦也想不到的问题"听说在诺贝尔奖领完奖后,必须双手捧着奖章,眼光平视着国王一步步倒退着走回自己的位子上,真是这样么?如果一不小心摔倒那多难堪呢?"为此费曼还特地在学生面前反复演练,突然费曼又发奇想,如果我在领奖的时候象青蛙一般一边倒退着蹦回座位上,一边嘴里呱呱地叫个不停岂不更妙?
     他在学生助威的爆笑声中企图改练蛙跳,幸好消息传来领奖人完全可以转过身走回自己的座位上,要不然这位科学顽童只怕真要演出一场轰动天下的闹剧了。
  尽管新粒子的数目不断增加,但人们对此仍不满意。因为所有的新粒子都只是在宇宙射线中找到的,物理学家们不得不把笨重的实验仪器一次又一次搬到高山上去,因为在那里宇宙射线受到的阻碍才稍微小一些。在大部分情况下,人们揉搓着山风刮裂的脸膛,依旧无所收获,尤其是宇宙射线中的新粒子几乎被发现殆尽之后。
     所有人的梦想是能直接在舒适的实验室里能够一边品着咖啡,一边观测新粒子的诞生,而这个梦想直到劳伦斯先生的加速器诞生之后才真正实现。
     欧内斯特?劳伦斯,祖籍挪威,但他本人倒是充分具备了冒险开拓,一往直前的美利坚精神。美国诞生的物理学家一般都有这样的特点:很少有人大谈玄妙的哲学思辩之类的问题,清晰实用一贯是他们研究的主旨,这可能与美国人率真的天性有关。
     从严格意义上来说,劳伦斯更象是一位发明家,一位堪与爱迪生相媲美的大发明家。而他在公众舆论中藉藉无名,无非是他发明的加速器对普通人的生活来说影响甚微,但在物理学界来说,很难再有比这更重大的贡献了。如果把人们对粒子世界的探知比喻成一场战争的话,劳伦斯教授无疑是那个发明了枪炮的人。
     在他所在的伯克利辐射实验室中,汇集了一大批核物理和粒子物理学的精英,人们在理论问题上经常可以和这位威严的领导发生激烈的辩论,但在技术工作的细节上从没有人会班门弄斧。劳伦斯先生根本不聘用专业的维修工,事实上也很难找到比他更精熟加速器的各个构件的人。一旦出了故障,他会亲自带着钳子和螺丝刀爬上高大的加速器,每一颗螺钉,每一根电线都细细查过。
     他的观点一贯是只有想不出的,没有做不到的,所要付出的只须是埋头苦干和灵活的头脑。
     灵活的头脑有时比埋头苦干更起作用,回旋加速器的发明便是一例。当时造加速器的最大目的就是让粒子获得更大的速度,从而具有更大的能量,在激烈的碰撞中就可能出现一些新粒子。而让带电粒子加速,唯一的办法是将粒子置于电场里。如此一来,电场两端的电压须得极高(几十万伏甚至更高),加速管的长度也必须极长(几十米以上)。
     单是高电压倒也罢了,这几十米长的真空加速管的造价就让人目瞪口呆,更何况那时的真空技术远谈不上完备。而劳伦斯另辟蹊径,他将加速管作成圆饼型,利用粒子在磁场中的偏转轻易地就把各类粒子加速到极大的能量,而所需的电压仅是市电即可(220伏),圆盘的半径也不过是一米左右。
     自此各国之间就掀起了一场高能加速器之战,在整个二十世纪的后五十年,唯一能和核武器及空间科学上激烈竞争相媲美便是加速器的竞争,而这方面政府投入的金钱比起前两者来说一点也不见得少。
     每个国家都有她引以自豪的巨型加速器,这几乎成为一个国家的科技象征,美国有费米国立加速器实验室和斯坦福的直线加速器,欧洲有大名鼎鼎的欧洲核子研究中心(CERN),中国有高能物理研究所的正负电子对撞机。
     只须鸟瞰一下费米国立加速器实验室便知其规模。整个加速器的半径已经是1公里,在中心矗立的是一栋16层的双塔型控制台。若说整个实验室完全是堆建在金钱上的一点也不过分。铺设管道的表面层镀的都是贵重金属,而长大几公里的粗大管道全部抽为真空,单就耗电量而言,就不下一个繁华的大都市。
     即便如此,地球上最优秀的实验室里引出来的粒子最高能量也不过是几十千兆电子伏特,比起宇宙射线中测到的最高能量一万亿亿电子伏特差得仍是极远。
     物理学家们竭尽全力在实验室里模仿宇宙诞生时的粒子状态。按照宇宙大爆炸理论,整个宇宙大约是200多亿年以前由一个点突然爆炸膨胀而成,那个时候整个宇宙的能量(包括质量)都集中在那个点上,那里的粒子能量之高更是远非一般人所能想象。
     到了二十世纪,物理学本身已经起了极大的变化。单凭一时心血来潮就个人组建一个实验室的时代已经远远过去了,即使是几个好心慈善家的捐款也无济于事,只有政府能够提供如此之巨的资金。而且就政府而言,他也是尝到甜头的,比如二战期间的曼哈顿工程。 只有财力充沛的国家才有资格领导物理学的发展,这也是不争的事实,然而即使是天下首富的美国也为动辄几十亿的投资伤透脑筋,唯一能够遏止加速器的发展势头的就是金钱。

如此众多高能加速器的建立并没有使所有的物理学家高兴起来,当然不是发现的粒子太少了,恰恰相反,是太多了,如果说五十年代以前的实验室尚能算是新粒子的博物馆,那么几年之后简直就是难民营,前后一共有900多种"基本"粒子脱颖而出,那些认定自然界由很少一些基本元素组成的物理学家们各个大跌眼镜。
     从某种意义上来说,五十年代的粒子物理学家更象18世纪的化学家,他们当年也是在为寻找各种物质的组成元素而大费周章。
     摆在物理学家面前的首要问题就是如何将千奇百怪的新粒子中找到某种秩序。当然首先是按质量排队,质子,中子,以及比它们还重的各类超子被统一划为重子,电子,中微子,μ子归为轻子,质量介于二者之间的如π介子,K介子之类被称为介子。
     这些粒子还可以再分下去么?哲学家倒是口气笃定,物质当然是无限可分的。如果还能再分下去的话,自然首先应该从重子和介子着手,它们过重的质量早就引起人们的怀疑。
     还在1949年,还在攻读博士学位的杨振宁和他的导师费米就发表过一篇题为《介子是基本粒子么》的论文,他们建议π介子是由中子,质子和它们的反粒子组成,它们结合在一起的时候,绝大部分的质量都转为能量存储在介子内部,这倒可以勉强解释介子的质量何以只是质子或中子质量的十分之一。但是一时找不到实验证据,人们只能姑妄听之。
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 楼主| 发表于 2007-3-30 18:43 | 显示全部楼层
首先找到突破口的是美国物理学家盖尔曼,他是世界公认的粒子物理中权威中的权威。在1966年伯克利召开的国际粒子物理大会上,来自世界各地的粒子物理学家会聚一堂。那时的粒子物理已经发展得规模初具,大家都觉得很有必要就这些年的发展作些报告, 在这种有具有重要意义的大会上哪怕只发表五分钟的讲演都会荣耀终身的。有人拿出纸笔将两个半小时的报告会细细分成十分钟一段,但是即便如此各国来宾仍是你争我夺,各不相让。最后一人提议道:"你们也别争了,干脆都让盖尔曼一个人讲就行了。"
     所有在场的人无一提出异议。
     最后还是盖尔曼带着自信的微笑讲满了全场。
     盖尔曼首先把杨--米尔斯理论拓展到强相互作用中去,借助群论的一个重要分支--李群很快找到了粒子的八重法分类方案。在他的理论构架中,任何粒子必定属于八类表示方法中的一种。
     盖尔曼本人是最擅长给各种新理论起名字的,这可能与他父亲是位语言学家有关。盖尔曼小时侯各科成绩极为优异,但他宁愿一个人躲在屋里啃读那些发黄的语言书籍而不愿去教室。他最大的愿望是掌握十五门以上的语言,而不是在物理学上有所建树,这个愿望直到他学通了斯瓦希里语后才算大功告成。
     他起的八正法这个名字就是源于佛教中八种免除人生痛苦的劝说。有人说他在宣扬东方神秘主义,对此他非常愤慨,物理学可是绝对不会跟任何形式的神秘主义扯上关系的。
     八正法的分类非常成功,盖尔曼据此预言出一个新粒子--Ω粒子,不久美国布鲁克海文国家实验室就证实了他的预言。能如此成功地预言新粒子,在物理学史上还是第一次。自此,粒子物理翻开了新的篇章。
     学界被这颗耀眼的新星弄得眼花缭乱,很多人都加快了研究步伐,惟恐被盖尔曼后来居上。无论是哪个国家的粒子物理学聚会上,人们在一起第一个话题就是"你们谁知道盖尔曼最近在干些什么吗?"
     但是没过多久这句话又变成"可怜的盖尔曼走入死胡同了。"
     这位盖尔曼先生的确走入了死胡同,他在企图寻找粒子更为基本的结构时苦陷泥潭,因为他隐约发现这类更基本的结构具有极为奇异的性质,比如说,分数电荷。自本世纪初汤姆逊发现电子,人们都是公认电量最小的单位就是电子携带的基本电荷,可是现在居然有人认为还存在电量是电子电荷三分之一一类的结构,岂不让人笑歪了嘴巴。
     盖尔曼首先把他的新理论通知正在大洋彼岸讲学的导师外斯科夫。外斯科夫刚听他说了几句就打断道:"这可是越洋电话,我们不要把钱花在此类无聊的游戏上好不好?"
     但实验物理学家中倒是刮起了一阵旋风,他们都发了狂一般在加速器和宇宙射线中寻找带有三分之一基本电荷的古怪粒子,人人心中都清楚如果找出来无疑是获得诺贝尔奖的题材。有人猜想可能在早期的宇宙中存在这种粒子,于是又考察高山的岩石,海底的地层,地面的陨石甚至从月球上带回来的岩石样本上却仍一无所获。当真是上穷碧落下黄泉,两处茫茫皆不见。
     最后盖尔曼又突然站出来宣称这类基本结构被永远禁锢在粒子的内部,是不可能观测到的。全世界的实验家无不心中暗骂,单凭他的几句不知深浅的话就耗去了大量的钱财和精力,而理论家聚在一起的第一句话又变成"看来这次盖尔曼先生真的要进疯人院了。"
     可此时的盖尔曼埋头于他的办公室中,听不到外面的怨声怨语了。在他的论文中,他创造性地引入了这种比强子和介子更基本的结构。经过几个不眠之夜,他居然把几百种千奇百怪的粒子用三个更基本的单元象拼七巧板一般拼了出来。可想而知他的心中多么激动,这可是与当年门捷列夫的元素周期律相媲美的发现呀,至于理论物理学家们的不屑一顾,实验物理学家们的冲天怨气都一边歇着吧。
     盖尔曼本身就是一个离经叛道的人,要不然也不会和科学顽童费曼成为至交好友。
     最后的工作又是盖尔曼的拿手好戏,给这三个古怪的新单元命名。他静下心来一想,这些可怜的小家伙还未出生就倍遭世人的冷眼,干脆来个恶作剧,就叫它为夸克(quark)吧。他读过乔伊斯的意识流小说《芬尼根彻夜祭》,乔伊斯的小说向来晦涩难懂,变态得无以复加,他不但随手引用各种语言中最偏僻的俚语,甚至把单词里字母的顺序都颠倒得乱七八糟,但只怕正是这一点才大合精通语言学的盖尔曼的胃口。         
    
    
     在那本书中有一段马克先生的诗行:
     "夸克……夸克……夸克……"
     三只海鸟伸直脖子,
     一齐冲着绅士马克。
     但除了三声夸克,
     马克一无所得,"
     夸克是苏格兰一种野鸭的叫声,称得上是鸟类研究专家的盖尔曼对此是再熟悉不过了。一种叫作上夸克,一种叫做下夸克,另一种叫奇异夸克。质子就是由两个上夸克和一个下夸克组成,中子由两个下夸克和一个上夸克组成。
     每种夸克都有自己的"颜色"和"味道",这次盖尔曼大概是幽默到头了,怎么听起来这些夸克都象是餐桌上的布丁。
     全部重子和介子的基本结构都找到了,至于那些电子之类的轻子它们本身就没有更基本的单元。盖尔曼认定夸克只有三种,倒不是全无根据,因为当时发现的轻子一共就三类,电子,μ子,中微子。
    自然界存在一种神秘而又和谐的对应关系。
     不久实验方面传来令人震惊的消息:第四种轻子,与μ子相关的中微子被找到,以前的那种中微子则仅是电子性中微子。格拉肖,一位红发的理论物理学教授,马上意识到一定还有第四类夸克与之相对应。
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 楼主| 发表于 2007-3-30 18:44 | 显示全部楼层
     如果说盖尔曼先生的夸克理论已经是空中楼阁的话,格拉肖则更是企图在这晃晃欲坠的楼阁上再加盖一层。
     格拉肖得蒙施温格教授的真传,施温格先生经常在第一天的课上莫名其妙地在黑板上写下一大堆公式,学生们在底下抄得不亦乐乎,但在第二天和学生见面说的第一句话是:"对不起,上节课我推导的公式全部错了。"不过格拉肖最是欣赏老师这种坦诚的风格。
     他将第四种夸克的英文名称"charm",意思是有魔力的,中国的物理学家王竹溪教授将之译为粲夸克,不但音近,而且意同,信,达,雅三美俱备。
     这种夸克倒也真算得上魔力非凡,1964年格拉肖就提出来预想,十年之内都没有任何人找到这种夸克组成的粒子。
     在所有此类粒子中结构最简单就是由正反粲夸克组成的介子。格拉肖一直对此寄有厚望。但到了1974年,在美国波士顿的东北大学举办的一次介子专家的例会上,忍了十年之久的格拉肖再也受不住了,他与所有与会的人都打了个古怪的赌,在明年的下一次例会上只能出现以下三种情况:
     其一,粲夸克依旧发现不了,那么格拉肖当众把自己的帽子吃下去。
     其二,粲夸克被在座的介子专家发现,那么大家一起开香槟庆贺。
     其三,粲夸克被外行的物理学家发现,那么所有在座的介子专家都要把自己的帽子吃掉。
     就在当年的11月,在布鲁克海文国家实验室的美籍华人丁肇中以及斯坦福直线加速器实验室的里希特同时找到了这种介子,粲夸克的存在被证实了,这就是轰动物理学界的11月革命。夸克再也不是可笑的玩偶,而是真正的物理实在。
     在第二年举办的介子会议上,格拉肖得意洋洋地看着那些介子专家们,因为无论是丁肇中还是里希特都应该算是介子物理的外行,他正在疑惑这些彬彬有礼的绅士们怎么实践他们的诺言,突然就止不住哈哈大笑起来,因为服务员给他们每人端上一盘糖果,就是形状象墨西哥草帽的那一种。
     随着轻子数目增加到六个,相应的夸克也增加到六个,新增的成员一个叫顶夸克,一个叫底夸克。1977年就找到了底夸克,当然是皆大欢喜,顶夸克就费事多了,直到1995年才由费米实验室的工作人员找到,实验测量的各项性质与与理论预言地奇迹般吻合。
     到今天为止,粒子物理学界共认的就是如下的标准模型。
     组成世间万物的基本粒子一共有三代:每一代都由两个夸克和两个轻子组成,而且一代比一代重。列表如下:
    
     第一代(轻) 第二代(稍重) 第三代(重)
    夸克 上夸克,
    下夸克 粲夸克,
    奇异夸克 顶夸克,
    底夸克
    轻子 电子,
    电子性中微子 μ子,
    μ子性中微子 τ子,
    τ子性中微子
    
     标准模型的最后一个预言是超重的希格斯粒子的存在,如果它被找到,无疑又是大大前进了一步。但是一场无妄之灾降临到正是雄心勃勃的粒子物理学家的头上,1993年他们满怀希望的20TeV×20TeV超导质子对撞机意外被政府中止了,两千多名高能物理专家和工程技术人员面临失业,余波影响之下,很多著名实验室的科研经费也遭缩减。大概美国政府也终于吃不消动辄上百亿美元的巨额资金了,而民意测验表明百分之八十以上的老百姓都坚决反对白宫把钱投入到这场无聊的消耗中,要知道一亿美元就能为几万失业工人提供丰厚的救济金。
     实际上更多的理论家倒是希望标准模型大难临头,最好证明希格斯粒子根本不存在才好。因为标准模型本身也是繁琐之极,它的基本组成少说也有61个之多,其中正反粒子48个,规范粒子(例如光子,传递夸克间作用力的各种胶子)12个,希格斯粒子1个,有无第四代还尚在未知之数。
     物理学向来是以简洁为美,这个模型看起来就这么令人生厌到不如推倒之后重新来过,但奇怪的是迄今为止还没有发现与标准模型相矛盾的地方,除了尚待确认的希格斯粒子之外。
     理论家们的工作本身也远称不上完善,当夸克模型建立之后他们迫不及待地把在电磁场中大发神威的量子场论运用到夸克的强相互作用上去,这就是名噪一时的QCD,量子色动力学。但是它可不象它的兄弟量子电动力学那般出色,各种预言能说准百分之五十那就算是出奇的成功。归根到底还是强相互作用实在太复杂了,在这最紧要的关头上帝终于出手蒙上了人类的眼睛。
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 楼主| 发表于 2007-3-30 18:46 | 显示全部楼层
物理学与物理学家们(9)——低温下的奇迹
                              --凝聚态物理的发展
   1962年1月7日,一辆救护车呼啸着奔驶在苏联南部的高速公路上,几分钟之前有位莽撞的醉汉将一辆伏尔加轿车撞出路基,车上的一位中年人当时就是不省人事。
   新闻界对此事仅仅略微提及,但整个苏联的物理学界都被深深震动了,苏联的知名物理学家几乎全部都聚集到医院里,有的人甚至连夜乘飞机从遥远的西伯利亚赶来。冬日的严寒并没有把所有的人都驱赶到屋内,有人在医院门外苦守了一夜,长廊上一排排的烛光摇曳不定,这是古斯拉夫人的习俗,如果烛光能保持一夜不灭,那么病重的人一定会得到康复。
   岂至苏联,全世界的物理学家都行动起来,已经步入垂老之年并且久病缠身的学界领袖玻尔亲自安排了第一流的医生远赴莫斯科,这在针锋相对的冷战期间是极为罕见的
   这位幸运的伤者昏迷了整整四十天后,终于能够开始说"谢谢"。但是他那第一流物理学家的头脑终究是钝化了,即便如此,当年的诺贝尔物理奖仍是由他荣获,甚至诺贝尔奖基金会考虑到他的身体原因,第一次打破惯例由瑞典驻苏大使代为宣发。
   他的名字叫做列夫•达维多维奇•朗道。他在凝聚态物理中的贡献,仿佛玻尔于量子力学。
  
   众所周知,复杂的物质形态可以分为三类:气态,液态,固态。凝聚态就是指后面两者,与粒子物理和核物理不同,它深刻地影响着我们生活的方方面面,从各种常见的金属,合金到新型的半导体,超导材料,从玻璃,陶瓷到各种聚合物和复合材料,从光学晶体到各种各种液晶材料都是属于这一范畴。凝聚态物理本身也成为近几十年来发展最为迅速,门类最为繁复的物理学的重要分支。
   凝聚态物理根源于固体物理。早在19世纪,人们就对固体中的晶体结构就颇有研究。晶体在我们这个世界满眼皆是,漫天飞舞的雪花,常见的食盐,晶莹璀璨的水晶都是晶体,它们之间的共同特征就是都有着排列齐整的微观结构,这在物理学上被称之为点阵。
   1848年,法国物理学家布喇菲就成功地导出了晶体空间的14种排列方式,对应着32种对称类型,囊括了所有的2000多种晶体。这是在物理学上第一次运用了群的观念。事实上二十世纪的物理学最重要的物理理论只有两个字,一个是"群",一个是"场",不管在粒子物理,还是在凝聚态物理中都是如此。
   1912年德国的劳厄发现了X射线在晶体上的衍射,这不光在固体物理发展史上的一个里程碑,而且在人类的发展历程中都值得大书一笔。因为人类自此可以通过衍射的花纹观察到微观物质的结构,在1953年英国的生化学家克里克和沃森通过X射线的衍射推导出著名的DNA双螺旋结构,揭开了生物的遗传之谜。
   紧接着英国物理学家布拉格,汤姆逊的学生,制出了世界上第一台X射线谱仪,一大批优秀的青年物理学家聚在他门下,包括曾经帮助玻尔验证旧量子论的莫塞莱,他们通过X射线探知了各种复杂的结构,并且整理出一成套规范的操作流程,为此布拉格获得1915年的诺贝尔物理奖。
   当30年代末卢瑟福谢世之后,布拉格就接任了卡文迪许实验室主任,这是一个倍受注目的席位。前任卢瑟福曾经率领着实验室中的年青人在核物理的研究上取得过突破性进展,当时在世界上都是声名赫赫。但布拉格一旦接手,他却把工作重心转移到固体物理中。 很多人对这般轻易地放弃核物理研究的前沿阵地感到不可理解,布拉格微笑地向他们解释道,在核物理上我们英国人已经教会别人怎么做了,接下去也该干些别的了。
   他还大胆支持一些边缘物理学的研究,比如借助X光对蛋白质和DNA等生物大分子结构的探测,利用战后英国空军废弃的雷达改造成射电望远镜,这都是后来获得诺贝尔奖的课题。
   一些人对研究所不再搞核物理与粒子物理大失所望,但布拉格无疑是极有远见的人物,英国维多利亚时代的全盛时的风光已经过去,现如今一步步在走下坡路,在需要大笔资金投注的高能物理上英国是无法与经济发达的美国竞争的,倒不如利用手中的设备另外开辟一些新的领域。
   在布拉格的卓越领导下,他们开展了广义晶体学,电子晶格成象技术,扫描显微镜等研究,并为今天的如日中天的材料科学的发展奠定了基础。
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 楼主| 发表于 2007-3-30 18:47 | 显示全部楼层
凝聚态物理的另一个源头就是低温物理。早在1823年,著名的实验物理学家法拉第在一次氯气实验中就偶然发现密封的试管壁上出现暗绿色的斑点,他试图把试管拔下来,结果发生了爆炸,双眼都被炸伤。但他也猛然省悟到那绿色的斑点一定就是液化的氯气,只要加大压强,任何气体都会液化的,而液化的温度通常是极低的,这为人类制造低温创造了条件。
   到1845年的时候,法拉第就已经几乎全部液化了所有的液体,并且制造出一系列低温库,最低温度达到过-110c,但奇怪的是有六种气体始终液化不了,它们是氧气,氮气,氢气,一氧化碳,二氧化氮和甲烷。
   法拉第之后,人们完善了各项低温设备,并且采取逐级降温和定压气体膨胀的方法把这最后六种气体也得以液化。1895年英国的化学家从矿石中分离出一种新元素氦气,如果能把它液化必然又能使温度更加接近绝对零度。
   当在荷兰莱顿大学物理实验室担任主任的昂纳斯听到这个消息时,他满有理由相信这个能液化氦气的第一人一定是自己。
   从1882年`昂纳斯刚接手实验室的那一天起,就决定把把实验室的全部研究方向确定为低温物理。经他十多年的苦心经营之后,该实验室已经在低温方面已经是首屈一指。而他本人也是公认的低温物理的权威。
   昂纳斯也是历史上明了如何创立现代意义上的实验室的第一人。很早他就在莱顿创立了一所技工学校,专门培养仪器制造工人和玻璃吹制工人,他们都为低温实验室的发展作出过巨大的贡献。实验还有一个困难就是氦气太贵,而昂纳斯颇有生意人那种精明的头脑,他通过兄弟的私人关系,直接从矿场买到廉价而纯净的氦,单这一点来说,其他实验室都是望尘莫及。
   条件如此之好,但这一努力下来也是直到1908年7月10日晚上9点才获成功。世界上最难液化的氦气终于俯首称臣,获得的低温也达到创记录的4K(-269)。昂纳斯终于获得了当之无愧的"绝对零度"先生的称号,1913年他凭此获得诺贝尔物理奖。
   随着低温的获得,昂纳斯发现了一些不可思议的现象。
   我们知道,一般金属的电阻都会随着温度的降低而减小,因为金属的导电性全部是由其中的自由电子带来的,在一般的条件下,自由电子会朝各个方向运动,从而产生电阻。温度降低之后,这些电子被"稳固"住一些,自然就会规矩多了,电阻也会小了许多。
   当时关于低温电阻流行的说法是当温度最终接近0K时,电子就会完全冻结在金属上,再也不能担负传递电流的任务,从而就会变成无穷大。这种想法是极合逻辑的,但是这不过是经典物理的延伸,考虑到量子效应的话就远非如此了。
   昂纳斯的初衷是想找到一个温度的临界点,过该点之后,电阻将会急剧攀升,这也是很有意义的事情。谁知道温度降低之后,电阻不但迟迟不见回升,临界点倒是找到了,但过了以后电阻陡然下降。
   为了确认超导态下的金属电阻究竟小到什么程度,昂纳斯设计了一个巧妙的实验,他降低温度,把一个闭合的铝制线圈置于超导态,然后撤去磁场,观察产生的感生电流。结果几个小时下去,未见电流有丝毫衰减的迹象,别说几个小时,只怕就算再过几百万年也未必衰减得完。
   昂纳斯在论文中这样惊讶地记述道:"在3K附近,金属的电阻就降低到百万分之三欧姆以下,这几乎就是0,至少找不到和0的差异。"这也是人类第一次观察到著名的超导电性。
   一下子很多人的注意力都被吸引到超导电性方面来了,这是一项极有应用前景的课题。谁都知道,全球每年单是耗损在导线电阻上的能量就是天文数字,如果常温下的导线是超导体的话,这些能耗就会减小到零,而且会大大增加各种材料的使用寿命,当真是前途不可限量。
   但是常温下的超导材料,即使在今天还是一个遥远的梦想。当时莱顿实验室的工作人员拼尽全力,找到的最高超导温度也不过是10K。
   具有高临界温度的超导材料不能单凭实验就能解决的,因为超导电性的机理尚不明晓。当时的量子力学还未出世,人们怎么也想象不到,超导现象就是一种宏观的量子效应。

  


       一直到1933年,长期苦无进展的超导物理才爆出另一个惊人的发现,低温下的超导体是具有完全抗磁性的,这是著名的迈斯纳效应。
   这么多年以来人们只是被超导体的导电性所吸引,居然没人注意到超导体的磁性,也算是奇事一桩。仿佛一卷画图,人们仅掀开一角,就被作者浩瀚的手笔所吸引,大发议论之余却没人想到继续摊开观赏下去。
   何况当时的超导物理学家的头脑还是受经典物理思想的束缚,很自然的想法便是,随着温度降低进入超导态,磁场也被冻结到物体内部。
   但当迈斯纳刚接触到超导体的磁学性质时,就觉得事情未必那么简单,他和奥克森费尔合作了一个实验,并于1933年10月发表了一篇简短的论文,这是超导物理学中一篇划时代的文献。
   瓦尔特•迈斯纳出生在德国柏林,原先攻读的专业是机械制造,后来改学物理,并成为超导物理的一位先驱人物。
   象他那样出身工科的物理学家,往往更能注意到一些不为人所注意的细节。而迈斯纳更能从这些细琐的碎片中想象得到更深的物理内涵,实在是高人一筹。
   迈斯纳效应的发现,更使人们对超导体的本质有了更深刻的认识,并为理论物理学家对超导物理机制的解释奠定了坚实的基础。
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 楼主| 发表于 2007-3-30 18:48 | 显示全部楼层
最早对超导电性作出解释的德国的弗里茨•伦敦和海因茨•伦敦兄弟二人。
  
   兄弟二人都是第一等的物理学家,而且一个精通理论,一个擅长实验,这在物理学史上倒是颇为罕见的。
   哥哥F伦敦原先所学的专业是哲学,21岁时写出的论文《论纯粹理论认识的形式条件》就曾受大哲学家罗素等人的交口称赞,后来他师从于索末菲和薛定谔,深得二人真传。
   无疑他的研究工作带有很重的哲学色彩,这也使他看问题比一般人都看得深远,有的直到很多年后回过头再看才能体会到他的远见。比如说,他当年就预言出生物有机体成为超导体的可能性,这直到八十年代寻找高温超导的热潮中才被被人证实。
   F伦敦也是把量子力学引入超导物理的第一人。玻尔对他的评价是,伦敦虽然没能赶上参与量子力学的创建工作,但他运用量子力学作出了这个时代最出色的工作。
   他很早就提出一个惊人的预言:超导体不管体积多大,都可以看成一个大分子,量子力学的各种效应在这等宏观物体上也是尽显无遗。由此的推论是穿过超导环的磁通量必须是量子化的,就象玻尔在原子物理中对电子波函数的约定一般,这些在当时都是耸人听闻的怪理论,但都在十余年后的实验中被证实。
   弟弟海因茨•伦敦深受哥哥的影响,善于把用精妙的理论和复杂的实验手段完美地结合起来。
   大凡物理理论,一般来说分为两类,一种是微观理论,就是从本质上对物理现象进行解释,一种是唯象理论,就是在更深入地了解微观机理之前,用一些简单有效的模型来作出解释。大多情况下,唯象理论是微观理论的必由之路。
   伦敦兄弟提出的唯象理论是:在超导体中存在两类电子,一部分和普通导体的电子并无差别,另一类则与超导性相关,它们在运动时是不受任何阻碍的。在1935年他们发表的论文《超导体的电磁学方程》中,就根据这样简单的假设成功地说明了迈斯纳效应。
   他们跟着提出著名的伦敦方程:

        这在超导物理中的地位如同经典电磁学中的迈克斯伟方程,或者量子力学中的薛定谔方程,如此精妙的方程建立在简单的唯象模型上,倒也是个奇迹。
   据此他们给出重要的预言:超导电流只是在超导体的表面极薄的一层内(厚度大约是万分之一厘米)存在,不久后他们的预言得到证实。
   鉴于伦敦兄弟的巨大成就,从1960年开始,伦敦奖每两年就在国际低温会议上颁发一次,该奖项至今是低温领域中的最高荣誉。
   超导理论中更引起人们关注的是超流现象。早在1911年昂纳斯将氦气液化之后,就发现这种液体与其他普通的流体性质截然不同。如果把液氦装进一个小烧杯,它就会沿着烧杯壁慢慢朝上爬,直至溢出。如果你插入一个毛细管,甚至还会形成喷泉。
   但是所有的理论物理学家都对此一筹莫展,直到40年代苏联的朗道提出著名的二流体理论,翻开凝聚态物理新的一页。
   朗道于1808年出生于俄国里海附近的石油城巴库,他不仅是苏联最伟大的物理学家,即使放眼全球,他也是一位不可多得的物理学全才。
   朗道自小身体瘦弱,再加上他本身是犹太人,免不了在学校里受同学们的欺负,但他生就傲性,旁人若是有一句话伤到了自己,便会拍案而起,拳脚相向,就算终因力气不支被人痛殴,也始终不肯屈服。
   他的脾气固然是出奇得大,学习成绩却也是出奇得好,但老师课堂上的讲述是从来不听的,在朗道眼中世界上配作他老师的只怕没有几人。老师们自然是不喜这个不知天高地厚的孩子,朗道也乐于被漠视,他倒可以藉此钻研自己的数学。别的孩子还在为几何,代数而绞尽脑汁的时候,他已经能做微积分的运算了。
   在13岁的时候,他就中学毕业,但马上被父亲送到一所经济专科学校。他对经济类的东西一点也不感兴趣,于是再三争取之下,第二年就转学到巴库大学。
   朗道是整所大学年纪最小的学生,却偏偏同时攻读数学和化学两个专业,而且以全优的成绩毕业。然后他转到列宁格勒大学继续学业,在那里他遇上了苏联几位最有名望的物理学家,象约飞,弗仑开尔,和几位知己好友,象卡皮查,迦莫夫。
   当时的物理学正酝酿着风暴,量子力学也初现端倪,朗道决定了自己终身奋斗的方向--理论物理。
   1929年的时候朗道费劲周折,获准出国,他自然先来到求贤若渴的玻尔研究所。当时那里是明星聚会,而朗道展现的才气连玻尔也是赞叹不已,要不是他晚来了几年,一定可以在量子力学的创立过程中大有作为的。但朗道的傲慢自负也令大家暗暗摇头。
   一次,爱因斯坦来作报告,完后主持人请大家提出问题。朗道第一个站起来,语惊四座:"爱因斯坦先生讲的东西也许不是那么愚蠢,但是他给出的第二个方程绝对不能由原始条件推理`而来,应该加上一条新的假设……"
   周围的人都无不耸动,自从爱因斯坦成名以来,天下只怕还没人敢以这种口吻和他讲过话

       倒是爱因斯坦歪头沉思一会后,微微一笑道:"年青人,你说的很有道理。诸位大可以把我今天讲的全部忘掉。"
   在玻尔的讨论班上,他一度是最具活力的人物,没有他的话讨论班的很多成果都要不免大打折扣。而胖子泡利在研究所纵横多年之后终于遇到了对手,只要他们二人一争辩起来那也不是一两个小时能说的清,道得明的。
   朗道在这里却也找到了终身景仰的人,那就是玻尔。这倒不是因为玻尔为人谦逊,待下亲厚,朗道对个人品性一节向来瞧得极淡,但玻尔那种能地从纷繁的现象中抽象出物理本质的直觉,令他大为折服。在外人面前他一般不提自己的授业导师,却每每自称是玻尔的弟子,虽然他仅在玻尔研究所工作了四个月。
   其实,玻尔的嫡传弟子虽然为数不少,但继承他那种惊人的直觉本领却只被朗道继承了下来。 当朗道在40年代面对液氦的超流这等难题时,就也能象玻尔当年面对同样复杂的原子结构问题一般,单凭直觉就找到一条其他人想也不敢想的路子,若说有多么严密的逻辑推理倒也谈不上,但这条路却是唯一正确的。
   他在实验基础还很不充分的背景下,就提出著名的元激发假设:超流液体有一个临界的流动速度,当它低于此速度时可以无阻碍的任意流动,高时则会受阻。这个临界速度就跟容器壁和液体相互作用时激发的最小能量有关。这个最小能量就是元激发。
   在这里朗道第一个在凝聚态物理中引入了声子的概念来说明元激发。所谓声子,就是液体声波场的量子。
   到今天,元激发已经成为整个凝聚态物理最基本的概念,人们不仅找到了声子,旋子,准粒子,还有极化子,磁子,孤立子,相子等等。在各种不同的系统中寻找各种元激发已经是凝聚态物理的首要任务。
   当然朗道对物理学的贡献远不仅于此。在他五十岁寿辰的时候,世界各地的物理学家纷纷送来了贺礼,但他的同事们送来的礼品最是合他的心意。
   那是两块青石板,上面刻写的是朗道在物理学中作出来的十项重要贡献:量子力学的密度矩阵和统计物理,自由电子的抗磁性量子理论,二极相变,铁磁铁的磁畴理论,原子核物理的概率问题,液氦的超流,基本粒子的电荷约束,费米液体的量子理论,弱相互作用中的复合反演理论。
   这就是著名的"朗道十诫",模式是仿照圣经中摩西代天主说出的十条戒律。摩西是远古时代的以色列人杰出的领袖,他曾率众历尽千辛走出埃及,在苏联物理学家的心目中,只怕唯有朗道才有摩西那般天赋的气魄和才干。
   朗道对物理学的贡献还远不止这些,譬如重要的元激发概念就未能入选,但仅这十条就可见朗道涉足的领域遍布凝聚态物理,粒子物理,核物理这些物理学的重要分支,就这一点来说整个二十世纪也就只有杨振宁和费曼能相媲美。
   朗道也深深影响了苏联物理学界的一代学风。他自己的数学功底极为扎实,却较少在成果中显现,因他走的是玻尔的路子,更喜用简单但深刻的物理模型来说明问题。
   但他对学生数学的要求竟是极严,凡他门下的弟子,每人都要准备上一大摞厚厚的本子,象小学生一般工工整整地作上几千道繁难的数学题。临毕业之前,还须经过他亲自出题考核。这些考题涉及到理论物理学的方方面面,其中的数学已经困难到夸张的地步,偏偏还不许查书,题量又是极大,很多人一看到卷子就被吓得面无人色。
   在朗道几十年的执教生涯,总共也只有四十余人闯过此关,这四十余人后来都是苏联物理学界的中坚力量。所有学物理的人莫不视朗道的考试为畏途,一个新名词"朗道位垒"应运而生,这是借用物理学的一个术语,只有那些能量极高的粒子才能穿过"位垒"到达一个新的区域。
   朗道对他的弟子教导极是悉心,但许多人还是很难掌握他那种跨度极大的推理方法。对于一种复杂的物理现象,朗道看一眼就能"蒙"出公式,旁人却大多如坠云里雾中。
   后来朗道在黑板上方悬挂了一幅油画,上面画的是蓝天白云之下,一牧人悠闲地吹着风笛,羊群则低着头恬静地吃草。大家怎么也不懂这是什么意思,直到毕业聚会上,一个学生才怯怯地向朗道提出这个问题,朗道莞尔一笑:"那吹风笛的牧人么,是我,那羊群么,自然就是你们,我上课讲的东西反正你们也理解不了,不就象这羊群一般么?"学生赧然退下。
   不管朗道如何狂狷倨傲,目中无人,每一个学生却都是对他极为尊敬。朗道自己亲自撰写过一整套理论物理学,虽然带有俄国人特有的繁琐,但若能潜下心读完,物理学的功底也会打得极牢。这套教材已经成为理论物理的标准教材,朗道的学生在此上都是受益匪浅。
   朗道分外地强调数学,这初看上去似乎过于罗嗦,甚至会模糊了物理的本质,但这正是朗道高明的地方,直觉和悟性只怕当真是神人天授,教是万万教不出的,倒不如老老实实扎好根基,他日逢遇机缘,大有作为也是情理之中。
     
  
   苏联的理论物理学家大多师承朗道,风格和美国,西欧的大是不同,西方的那些研究人员大可以在咖啡馆里面畅所欲言,捕捉片刻的灵感,而苏联的同行们往往拘于一室,皓首穷经,但几十年下来,倒是苏联方面的成果胜上一筹,只不过当时美苏对峙,苏联方面很多重要的论文只是在国内发表一下了事,从不拿到国际上和西方的物理学家交流,是以很多理论都被挂上了欧美人的头衔,但苏联人的在物理学上的实力都是有口皆碑的。
   朗道虽然事业辉煌,一生却是磨难重重,小时侯几次重病都差点让他见了上帝,年轻时游历欧洲回来后又莫名其妙地背上间谍的罪名,险些被终身流放在西伯利亚,在好友的全力帮助之下总算洗脱罪名,结果回到内地后又与当时的学界权威因脾性不合而屡遭排挤,及至名望日升的时候,却遭遇车祸,使他再也不能从事理论物理的工作。
   1962年卧病在床的朗道得知自己被授予诺贝尔物理奖,倒是大出他意料之外,诺贝尔奖一向为西方所把持,一个苏联人要想折桂那是难上加难,何况他生性高傲,国外的那些大家和他大多交情泛泛,言语之中只怕还得罪过不少人,但他没有想到,也正是这些人没有计较民族和个人的偏见,仗理直言,将他送上了诺贝尔奖的领奖台。
   作为一个普通人朗道的生命又延续了几年,无疑最后的日子对朗道来说是极为痛苦的,生理上的病痛倒还在其次,不能继续在心爱的物理学中跋涉才是最让他不能忍受的,但他在外人面前显得很是轻松潇洒,逝世之前面对众多神色忧戚的学生和朋友最后说的一句话是:"老天待我真是不薄,我这一生总是万事顺利。"
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 楼主| 发表于 2007-3-30 18:50 | 显示全部楼层
超导问题的微观解释很早就有人开始寻找了,当时伦敦兄弟和朗道的唯象理论已经颇为成功,但很多人还是对这种不是基于量子力学的模型理论不满意,一大批物理学大师都曾涉足这一领域,包括玻恩,海森堡,布洛赫,朗道,费曼等等,但是几十年来进展甚是缓慢,这几乎成了整个理论物理学的耻辱,而美国人约翰•巴丁却勇敢地肩负起这一重任。
   巴丁先生在超导物理和半导体物理中都是承前启后的人物,他出身著名的贝尔实验室,在1947年就和布拉顿,肖克利合作制出人类历史上第一个晶体管,在当时虽然没人理会他们的发明,但随着时间的推移人人都认识到晶体管的重要性,没有它可以说就没有整个信息时代,因此他们三人分享了1956年的诺贝尔物理奖。
   发现晶体管之后后巴丁并没有停止脚步,却毅然向超导物理中的第一难题发动了进攻。在1950年春天,美国国家标准局的迈克斯伟等人公布了超导物理的另一项发现--同位素效应,即物体的超导温度乃是与同位素的质量相关,质量越轻,转变温度便越高。
   巴丁是一边用用早餐一边听到秘书念到这一消息的,当时他就放下刀叉愣愣地呆住,然后连外套都没批上就拔腿奔向实验室。他马上意识到超导物体的转变温度如果和原子质量相关的话,那么超导电性多少是和电子--声子相互作用相关的。
   巴丁的心头一阵狂喜,难道上帝又一次垂青了自己?但他着手计算了几天之后,不免大失所望,此种理论仅仅考虑了电子--声子的相互作用,却没有处理电子之间的库仑力的作用,这是一记大大的漏招。一旦把库仑作用也包括在内,却也未免麻烦的一塌糊涂。
   心情沮丧之余,巴丁却突然想到量子场论对于处理此类繁琐的电磁作用问题极是对路,何不找场论专家来帮忙?他首先想到的便是杨振宁,不过杨振宁当时正全心于粒子物理的研究,他推荐的是号称"东部量子技师"的库珀。
   库珀倒是不负众望,很快运用娴熟的场论技巧解决了很多难题,并提出库珀电子对的概念,紧接着巴丁手下的研究生施里弗奇兵突出,居然找出了超导体的基态波函数。三人大喜过望,一番急攻之下,就得出著名的BCS理论,这是取自他们三人名字的第一字母。
  牛刀小试,超导的各种奇妙现象无不迎刃`而解,甚至还可以从BCS中直接推出伦敦方程,京茨堡--朗道方程等诸多唯象理论,他们三人因此同获1972年诺贝尔物理奖。
   巴丁从而成了历史上唯一同获两次诺贝尔物理奖的传奇性人物,这一点连爱因斯坦,玻尔这等顶尖人物都没有做到。本来诺贝尔奖的评审委员会为开此先例也是大为踌躇,但BCS理论实在太重要了,它被誉为自量子论诞生以来,对整个理论物理最有贡献的理论之一,所以巴丁再次荣膺桂冠。
   凝聚态物理和粒子物理的研究此时也是大大靠近了一步,BCS理论本身固然是借用了场论的概念,但它反过来也为粒子物理开辟了新的视野。后来杨振宁等人又在凝聚态物理中引入了场论中的重正化的作法,也解决了一大批长期悬而未决的问题。
   微观理论建立之后,凝聚态物理的专家们的注意力大多集中在高温超导上,人人心中都清楚,就社会轰动效应而言,高温超导是受控热核聚变反应之后物理学最重要的问题。
   1980年法国物理学家热罗姆等人首次发现了伦敦当年预言的有机物超导体,其超导温度上了一个台阶,自此全球掀起了一股超导热,德国的柏诺兹和瑞士的缪勒另辟蹊径,从金属氧化物Ba-La-Cu-O中找到了温度高达32K的超导体。
   消息刚传到美国的时候,很少有人相信柏诺兹和缪勒的成果,只有加洲大学的华裔物理学家朱经武相信在金属氧化物中大有可为,他研究了种类繁多的氧化物,终于找到了Y-Ba-Cu-O,超导温度一下骤升到90K,这也是人类第一次在液氮温区实现超导转变。
   几乎与此同时,中国科学院物理研究所的赵忠贤利用同样的氧化物把超导温度又提高到100K,一度引起了世界各国的关注。
   此后各种高温超导材料层出不穷,但是想把超导温度提高到室温(300K),短期之内还难以办到。这归根到底还是因为高温超导的机理尚不明晓,BCS理论在超低温的领域里虽是得心应手,温度升高之后却也遇到了极大的麻烦。
   安德森等人在BCS的框架之上又提出强耦合模型,这是动力学上一个典型的对称性残缺的例子,到今天为止可能是最有希望解释高温超导的理论。而在粒子物理中,对称性的残缺也是首要关注的问题,这关系到若隐若现的希格丝粒子是否存在。
   在上帝之手的神秘指引下,物理学家们殊途同归,重新聚在了一起。
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全文完
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发表于 2007-7-27 23:15 | 显示全部楼层
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