摆脱重力对物质的控制,一直是人类最向往的科学技术之一,21世纪的科技发展已经让磁悬浮变成了我们耳熟能详的一种非常博眼球的科学现象。然而关于这现象其实还有着更加酷炫的升级版,也就是超导体所体现出的一些诡异特性,而且在现实应用方面,它也有望带给人类更多的好处。
比如:增强发电效率,降低电力传输中的损耗,提高电力储存效应,成为高性能芯片的重要材料,甚至于改善人们的出行交通工具。文中我们将主要说的是“量子悬浮”和“量子锁定”形式,以便我们了解超导体和它的特性,还有在现实生活中的实际应用方向。
上图我们看到的现象被称为量子悬浮或量子锁定,其中悬浮者的这个圆盘就是我们一开始提到的超导体,这个超导现象可以说是我们宏观世界物质的一种非常规状态,它是宏观世界物质,在宏观世界中的某种极端条件下表现出微观物理的一种典型现象,这也就是为什么我们把它称作量子悬浮或量子锁定的原因,因为你所看到的这种现象,通常情况下只会在微观世界的量子状态下发生,那么是什么极端条件造成了这种特有的宏观物质,表现出了某种微观量子状态呢?答案就是:超低温。
一些特定的物质会在接近绝对零度时表现出超导的特性,这个特性分为两种,一个是零电阻,另一个就是内部抗磁性,我们先来解释一下,什么是电阻:所谓电流就是指电子在导电物质中流动,电子在流动的过程中会与导电物质中的原子碰撞,而这些碰撞会使电子失去一部分能量,这部分失去的能量,则转化为热能,这就是电阻。比如:我们把电子想象成拉着煤炭的货车,导电物质的就是公路,导电物质像是公路的路况,坑洼越多代表着电阻越大,反之亦然。
我们的货车在这样的公路上行驶,路况越糟糕坑洼越多,那么货车携带的煤炭就会洒出更多,到达目的地时,煤炭的损耗当然就会越大。可是如果导电物质是超导体就不会存在这些现象,电子不会与原子发生碰撞,所以也就不会产生能量的流失,同样也就不会产生热能,所以超导体更像是一条既平坦又笔直的高速公路,拉着煤炭的货车啊,也就是电子在这样的公路上行驶,自然也就不会有任何的损耗,这就是超导体的零电阻特性。
而另外一个特性也就是内部抗磁性,就是当物质呈现超导特性时,磁力就会无法穿透超导体,超导体会排斥磁力,使其发生一些畸变,所以两者就会产生出一种相互排斥的力量,而如果这种势力发生在上下关系时,就会产生磁悬浮的现象。
这个现象的名称呢,就是以1933年首次发现这一现象的德国物理学家麦斯纳命名的麦斯纳效应,可是随着人类的科学技术不断的发展啊,尤其是人们对于量子物理的深入了解,我们发现超导体中,其实还会残存有一些少量的磁场,而且这些残存的磁场,会被困在超导体内部呈现出一种一粒一粒的离散状态,也就是说这些磁场对均匀的打散,呈现出量子的行为模式,所以如果我们将超导体置入一个磁场的时候,超导体内部残存的少量能够使磁力通过的这种“磁场束”,就会被超导体内部的抗磁性给锁定,然后固定在一个位置上,你可以把这种现象想象成:当一个磁场束,比如是个小圆点,对四周围的斥力均匀挤压时,那么它就会被均匀的排斥力,死死的固定在一个位置上。
同样由于被固定的磁场束来自于超导体内部,那么显然超导体自身也就会固定住,这也就是为什么称这种现象为量子锁定的原因。
我们知道一个浸泡在液氮里的超导体圆盘,当把它放在一个磁铁上的时候,它就像是被粘在了半空中一样,随着磁铁的运动而运动,没有一点点的晃动余量,这其实恰恰说明了这一现象并不仅仅是悬浮或者是排斥力,而更多的只是量子锁定,也就是说他是被锁定,并不是被相互排斥,而与重力相互取消,或者当你移动超导体到磁铁的另外一个位置,或者你让它倾斜的时候,这些超导体内残留的磁场束,会被重新锁定,甚至将它们整个倒过来,超导体也仍然呈现锁定状态。如下
所以其实我们看到的悬浮,真正意义上其实就是量子锁定,那么你可能会想,这些超导体内残留的磁场束到底有多少条呢?为什么看起来锁定的如此牢固呢?大概300~500条还是8000到1万条?
其实经过科学家的计算,结果是上图看到的这个7.62厘米直径的超导体圆盘上,一共约有100亿条磁场束,所以可以想象一下,它们之间那些你看起来什么也不存在的空白区域内,其实是有的约100亿条,由磁力束组成的极其细微的磁性所固定的。其实每一条都是细到无法想象的量子尺度,所以从总量上来看,它们仍然是属于残留的少量的磁场束,因为如果以量子尺度铺满这个直径7.62厘米的圆形平面的话,那将是一个天文数字。
而且最神奇的是这个直径7.62厘米,厚度只有一毫米的超导材料,一旦它达到了自身的超导条件,它可以利用其特性悬浮起自身重量7万倍的物体,也就是说关于超导体的悬浮或者说量子锁定特性的未来应用,第1个已经接近于我们生活的就是日本JR东海公司研发的高速列车,也就是超导磁悬浮列车,它利用超导体的特性使车体上浮于磁力轨道之上,通过周期性的变换磁极方向,从而获取推进的动力。这种列车载人行驶的最高时速已经高达了590公里,而且除去惊人的速度之外,它还有着无噪音、无震动、节约能源的很多优点,基于这些诱人的好处,超导磁悬浮列车也有望成为我们未来轨道交通工具的主力发展方向。
这里面也有一个问题啊,有的朋友可能会问,物质要达到超导的特性,是需要接近于绝对零度的,也就是零下273.15度吗?这么极端的条件技术上是怎么达到的呢?其实东海公司研发的超导磁悬浮列车使用的这个超导技术,仍然是属于低温的超导技术,他们在车辆的底部安装了超导磁体,但是这些超导磁体仍然是放在液态氮储存舱内,所以这仍然属于低温范畴。
而目前磁悬浮技术大致能分为三种,一种是德国发明的电磁悬浮技术,比如上海的磁悬浮列车,第2种是日本发明的低温超导磁悬浮技术,第3种是高温超导磁悬浮,这种技术与低温超导磁悬浮的液氦冷却(零下269摄氏度)不同,高温超导磁悬浮采用液氮冷却(零下196摄氏度),工作温度得到了提高。
低温超导和高温超导有什么不同?
1911年,昂内斯首次发现,水银也就是汞,在接近于绝对零度的状态下,电阻为0。也正因为在所有导电材料中没有出现过零电阻的现象,所以这一状态呢就被称为超导现象。可是在这种极端条件下形成的这种超导现象,应用起来了是非常困难的,所以人们为了便于超导的应用,就开始了寻找在一般情况下相对不需要其他条件就可以产生超导现象的超导材料,也就是现在所说的高温超导材料,这里的高温是相对于绝对零度来说的,而且我们理想的最终目标呢也就是室温,所以不会是我们想象中的那种高温。
而目前,最接近于这个目标的数字,就是由德国马普化学研究所的米哈伊尔,在250K(-23摄氏度)温度下,实现了这个氢化鑭的超导性,这项成果使我们真正意义上的接近了这个室温超导,但是,这还需要加上另外一个条件,就是在170Gpa的这个高压下才能够实现,因而超导体还是需要在技术和材料上做出更大的突破,才有可能涉及更加广泛的应用领域,也就是说关于超导体的技术突破一旦实现,那么将惠及我们日常生活中的方方面面,为我们的生活带来极大改变。
写到这里你也看到了这里,如果你真的看到这里,希望你能再看两遍,结合你对这个世界的了解,应该会改变你对这个世界的看法,比如说某个和尚突然在空中悬浮了,是真的六根清净才能达到的吗?而为什么又从科学的角度去解释它属于量子锁定啊?人体的悬浮,是不是针对于整个地球为磁场的呢?古人所谓的修仙,是不是就是在努力的让自己成为超导体呢?
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