制冷的奥秘（下）

2018-04-09王震元

科学24小时 2018年4期

王震元

列车腾空而起

现代社会的人们追求高效与便捷，交通运输高速化就成了一种必然趋势。相较于民航和高速公路而言，高速铁路不但能耗低得多，而且安全系数也高出好几倍。但是，列车是依靠轮子的滚动前进的。尽管钢轨比一般路面都要光滑平整，它对车轮仍会产生摩擦阻力。这种阻力与速度的平方成正比，火车的速度越高，阻力也就越大。显然，征服这种轮子“挑战”的根本途径，就是让轮子“脱轨”，让车体悬浮起来。但是，列车又是如何摆脱地球引力的呢？

我们先来做一个小实验：找两块直径相等、大小一样的圆柱形小磁铁，把其中一块放进比它略大一点的玻璃试管中，使它的N极向上，然后，再把另一块N极向下的磁铁放进去。你会发现，这块磁铁竟会“悬浮”在原来那块磁铁上面。这表明磁铁具有同性相斥的特征。这使人们很自然地联想到，可以利用这种特性使轮子和钢轨“分离”。但是，一列火车重达几十吨，使之“腾空而起”的强大磁力又如何产生呢？超导技术为这个难题的解决带来了曙光……

日本国营铁道公司铁道技术研究所的专家们经过长达16年的辛勤探索，终于在1979年研制成功了世界上第一列“磁悬浮列车”。该列车长13.5米，宽3.8米，高2.7米，重达10吨。车身上印制着它的“大名”：ML500。M、L分别是英文Magnetic（磁力）和Levitation（悬浮）的缩写。ML也就是“磁悬浮”（MagLev）的简称。500则标志列车时速高达500千米。

“磁悬浮列车”的底部装有用超导材料绕成的线圈，并浸泡在液态氦里。由于“超导线圈”里的电阻值为0，因而通电后电流没有损耗，可以长期流动使用，并产生持续的强大磁场。在车轨上，也装了若干个环形线圈。根据电磁感应原理，当列车在轨道上运行时，安裝在车上的“超导线圈”产生的磁力线就会和“轨道线圈”相切割，并使后者产生感应电流，感应电流又产生磁场，这两种磁场由于极性相同，因而互相排斥，加上“超导线圈”本身的“完全抗磁性”，于是产生的强大磁力足够与列车受到的地球引力相抗衡，使车身“腾空而起”，车轮与轨道的“悬浮”距离约为10～15厘米。

那么，这种火车又是怎样前进的呢？还是依靠“磁力”！大家都熟悉的电动机，就是一种把电能转换成机械能的设备。它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩。现在，我们可以把磁悬浮列车运动的原理，理解成把圆形的定子从纵向“剖开”，展开成平面铺在轨道上，一组组直线排列。同样，把作为转子的超导磁铁也从圆辊改为平板，装在车体上，使它与定子对应。定子线圈里的电流由计算机控制，使它形成的磁场极性，刚好与车身内超导磁铁的极性相反。这样，列车就被吸引而前进了。

磁悬浮列车有许多优势，除了速度快以外，还具有不会产生环境污染和震动颠簸，以及无噪音等特点。但是，这种超导体必须使用价格非常昂贵的液态氦做冷却剂。能否研制出一种“高温超导体”呢？

探索的曙光

1987年3月18日17时，纽约中央车站旁的希尔顿大酒店内出现了一个奇怪的现象：3000多人守候在只有1150个座位的大厅门前。而此时离“节目”开始还有两个小时。人群中大多是德高望重的长者。当大门终于打开时，这些人就像顽皮的孩子那样一涌而进，抢占座位。究竟是什么“节目”使平时温文尔雅的绅士们“老夫聊发少年狂”呢？原来是美国物理学会关于“高温氧化物超导体”的讨论年会。会议从19时30分开始，一直持续到凌晨3时30分。10天以后，日本应用物理讲演会在早稻田大学召开，其中关于“高温超导”的小组会同样出现了这般热烈的场面……

从1941年开始，科学家们就努力寻找“超越”液态氦低温区的“超导体”，但几十年来始终徘徊不前。直到1986年，国际商用机器公司（IBM）苏黎世研究公司的缪勒和柏诺兹，向德国出版的《物理学杂志》递交了一篇论文，题目为《在钡镧铜氧系统中可能存在高温超导电性》。论文指出这种物质的超导转变温度为35K。由于他们尚未对样品的抗磁性进行观测，同时出于谨慎，因而只指出“可能”存在。此文于当年9月发表后，开始并未引起学术界的注意。这主要是由于按照传统的观点，金属氧化物都不是导体，更谈不上产生超导现象。此外，还因为类似“高温超导”的不实报道太多了。

但是，这一次却是真实的重大突破。同年11月，日本东京大学的学者证实了缪勒和柏诺兹所指出的超导电性。同年12月，美籍华裔学者朱经武等人公布了52K的成果。中国科学院的赵忠贤等人获得48.6K的超导材料，并观察到70K超导的迹象。1987年2月15日，美国国家科学基金会宣布，朱经武等人获得了98K的超导材料。同年2月24日，中国科学院也宣布赵忠贤等人发现的钡镧铜氧系统为液态氮温区的超导材料，起始转变温度为100K，在93K时出现抗磁性，78.5K时出现零电阻效应。

液态温度区实现超导的重大意义，主要在于：一方面，氮在自然界中的数量远比氦多，价格也低廉许多；另一方面，制冷的操作过程简便，从而为超导的大规模应用扫除了障碍。难怪仅仅一年之后的1987年，缪勒和柏诺兹就因此共同荣获了诺贝尔物理学奖。

“宇称不守恒”的曲折历程

在“宇称不守恒定律”的建立中，超低温技术立下了“汗马功劳”。

“宇称”是描述微观粒子状态的波函数，与它镜像的波函数之间存在对称性的一个物理量。“宇称守恒”，通俗地说，就是微观粒子的运动规律与它的“镜像”粒子（即该粒子在镜子中的影像）的运动规律是完全一致的。打个比喻，假设有一架喷气式飞机向右喷气，产生的反推力，就使它向左飞。如果旁边有一面镜子，显然，镜子里看到的飞机是向左喷气，向右飞的。而这种“镜像运动”在现实世界里完全是可以实现的；只需将飞机调头就行。这种运动（或过程）在物理学上就是“宇称守恒”（或“镜像对称”）。

换句话说，它的总宇称始终保持不变。但挑战也从这里开始：在弱作用力衰变过程中，有一种K介子（因质量“介于”电子与质子之间而得名），有时产生2个π介子，有时产生3个π介子。根据宇称守恒定律，这2种K介子就不可能是同一种粒子，故命名前者为θ介子，后者为τ介子。但是，θ和τ不但有相同的质量，而且两者的质量、寿命、电荷和自旋也完全一样。难道存在着2种粒子，其他性质都相同，唯独宇称不同吗？于是，1956年10月，李政道和杨振宁两人在美国《物理评论》杂志上发表论文，题为《弱相互作用中的宇称守恒问题》，该文明确指出：“目前的“θ-τ之谜”可以看作是宇称守恒定律在弱相互作用中并不成立的一个迹象。”

但是，一条新的物理定律要獲得公认是很不容易的，需要充分证据的支持。于是，他们邀请美国哥伦比亚大学女实验物理学家吴健雄“加盟”。吴健雄做的实验是观测钴60的β衰变。在此之前，研究人员已经发现这种衰变属于弱作用衰变并伴有电子产生。由于钴60原子核不仅有自旋，而且也有磁矩。也就是说，它既像个陀螺，也像块小磁铁。吴健雄用电流通过线圈产生的磁场“规范”钴60原子核的行为，使它的自旋都按相同方向排列。但是，这种排列极容易受到原子核热运动的干扰。为此，吴健雄与美国华盛顿国家标准局的几位科学家反复沟通，使他们同意在该局低温实验室进行整个实验，并始终保持在比绝对零度（-273.15℃）仅高出1/100度的超低温状态。

那么，吴健雄是如何通过观测钴60的β衰变来验证宇称不守恒定律的？显然，如果定律成立，或者说电子的“镜像运动”，也像喷气式飞机调头那样在现实世界中能够实现，那么钴60原子核自旋的“顺”和“逆”两个方向，由于衰变而飞出的电子数应该相等。进行这种对比并不困难，只需改变线圈中电流方向即可。但通过观测，她发现大多数电子都与钴60原子核自旋作逆向飞行。显然，它的“镜像”——电子飞行方向与钴60原子核自旋方向相同，在现实世界中是无法实现的，也就是说宇称是不守恒的。