绝对零度的奇迹

绝对零度的奇迹 03级电气茅以升班 吴丹 20031433 在过去的几个世纪里，物理学在历史的进程中有着翻天覆地的变化。英国著名物理学家开尔文爵士说过一句话大学物理老师在课堂上也说过，而且给我留下了很深的印象那就是，“在已经建成的科技大厦中，后辈物理学家只需要做一些修补工作就行了。但是，在物理学晴朗的天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云。”这虽然和我要谈论的话题关于低温物体的话题无关，但这句话在当时却反映了不管在任何时候，我们总有不能理解的物理现象需要人们去研究和探索，所以人类才向着更美好、更完全的方向发展，作用于社会。 随着量子论的诞生，低温物理本质就更趋于明朗化了，在这一切的贡献中，我们不能忘记一个人，那就是在低温物理领域做出杰出的贡献、在发展量子理论中和爱因斯坦和普朗克又三驾马车制成的能斯特。他指出低温物理本身是量子论的，能量可以和零点能相比拟的温度，当温度下降到最低温度—绝对零度时，离子并不会完全静止，仍具有一定的能量，这就是零点能。而且由此引发的超导和超流现象，也与量子论相关。因此量子理论在整个物理学的中发挥着巨大的作用，它是探索其它他物理现象的基石，正是由于这个基石，人们才会想到利用超导和超流现象服务于社会。 对绝对零度，科学家们首先致力于对气体的液化。这当中获得液化“永久气体—氧气”第一人的卡耶泰，成功地把氧气液化成了液态，从此之后低温物理则有了长足的发展，温度被一再降低，一种种“永久气体”被相继液化，而此时能斯特提出一个假设，当温度趋于绝对零度时一个系统的总能量和自由能之差趋向于零，他推论绝对零度只能无限接近，永远不能达到，这些在以后被公认为热力学第三定律。其中，“绝对零度先生”则不能不提，那就是荷兰物理学家卡末林—昂内斯。卡末林—昂内斯完成了液化最后一种“永久气体”的任务, 那就是采用逐步降温的方法使氮液化，鉴于他做出的杰出贡献，他被后人尊称为“低温学之父”。 绝对零度的发现和研究，使人们进入了一个全新的领域。一是人们惊讶于科技的发展可以使人类每天所必需的空气液化，而且液化后的液体，如氧气、氮气、天然气，很方便于运输和使用。液化后的氧气通常应用在医院里，给呼吸困难的病人和在急救室里面正在做手术的病人提供氧气，这大大提高了医疗效率，使人们的生命得到了保障。天然气的使用不但解决了能源问题，而且还起到了环保作用。在当今社会能源紧缺的情况下，天然气的使用更加的合理和经济。二是在液化气体的过程中，科学家发现了制冷效应，由此从这个技术上发 展起来的制冷冰柜—电冰箱在服务于社会的基础上发挥着重要的作用。红楼梦一书中就提到过曹府利用冬天搜集来得皑皑白雪，把白雪弄干净后用来冷藏食物，等到来年春天再慢慢品尝，这就是一个很好的利用大自然的特性达到冷冻的目的的列子。然而科学家则是寻找出大自然的另一面的特性，利用它发展它再扩大它的使用范围。 对低温物体的研究，产生了一个更为重要的贡献，就是超导电性的发现—超导物理。科学家发现纯金属的电阻将随温度减小而减小，当温度达到绝对零度时，电阻完全消失，此后人们一直比较普遍的认为，电阻为零是超导体最基本的性质，而对于超导体的磁性质却认识不足。迈斯纳效应就是指物理体变成超导体后，原来穿过物体的磁力线被完全排斥在超导体之外。零电阻和迈纳斯效应是超导体的两个独立的基本属性，缺一就不是超导体。此后的“二流模型”和伦敦兄弟的伦敦的方程，舍兹堡——朗道理论描述了宏观现象，而此后才由巴丁、库珀、施里弗三人合力在量子力学和量子场论的水平上说明了超导体性质的理论。其中库珀迈出了从超导理论宏观唯象讨论转向微观机制讨论所必须跨出的第一步。更值得关注的是，在三人小组中巴丁是在同一领域内两次获得诺贝尔的第一位科学家。巴丁由同位素效应即转变温度与质量相关得出超导电性与晶格振动相关，发现导致超导电性的根本原因就是借助晶格振动为媒介而产生的电子与声子(晶格振动的量子)之间的相互作用，同时还发现超导体电子的能谱中存在能隙。要处理如此至多的相互作用问题还须要另寻帮助，其中施里弗解决了这一棘手问题。经这三人的共同努力由此就确定了超导电性三个关键要素，超导体能隙的存在，电子和金属中晶体格振动的相互作用，几电子-声子相互作用;以及速度空间的频率。 由于对超导的不断深入研究，超导具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值，超导电性应用大致可分为两大类，强电方面的应用和弱电方面的应用。在强电方面，首先利用其零电阻性获得大电流，最有可能的是利用没有电阻的导线来无损耗的输送电能，这就避免焦耳热损失和高压输电，这避免了麻烦的绝缘问题。强电另一大应用就是绕制超导强磁体，这与我所在的电气学院的专业密切相关，那就是磁悬浮技术，磁体有同性相斥的特性，利用这一原理研制磁悬浮列车，以此可解决交通问题。而弱电方面是发展出一门崭新的技术——超导电子学。因此可以这样说:20世纪是超导电性发现发展的世纪，而21世纪将超导电性得到全面应用。