载2003年第6期《自然杂志》 

 

从低温研究历史看2003年诺贝尔物理学奖

刘  兵
教授,清华大学人文社会科学学院科学技术与社会研究所,北京 100084

 

关键词 超导 超流 诺贝尔奖

  2003年10月,瑞典皇家科学院宣布了2003年度的诺贝尔物理学奖获得者。[1]在这次宣布的名单中,榜上有名的是拥有俄罗斯和美国双重国籍的物理学家、1990年移居美国、现在在美国阿贡国家实验室工作的阿列克赛·阿布里科索夫(Alexei A. Abrikosov),俄罗斯物理家、现在在俄国莫斯科的列别捷夫物理研究所工作的维塔利·金茨堡(Vitaly L. Ginzburg),以及拥有英国和美国双重国籍、现在在美国伊利诺大学厄巴拿分校工作的物理家安东尼·莱格特(Anthony J. Leggett)。他们三人各自分享了这一年度1/3的奖金,而获奖的原因,则是因为他们在超导和超流体领域中作出的开创性贡献。
  其实,这次诺贝尔物理学奖的颁发,更多地是一种对低温物理学研究在历史上一些重要工作的回溯性再承认。这三位物理学家的工作分别属于超导物理学史和超流物理学史的范围。如果向后看一下的话,人们会发现在背后有许多有趣的历史可以追溯。以前两位因超导研究而获奖的物理学家为例,其实是他们获奖的工作是将近50年前就已经在苏联做出了的。而诺贝尔奖又只授予在世的科学家,因此,不得不承认的,他们二人能够得奖,一方面是由于他们在做出那些杰出贡献时还算年轻,当时阿布里科索夫还不到30岁,而金茨堡也才30出头,另一方面,则有幸于他们的长寿(在获奖时,他们已经分别是75岁和87岁了),从而能够在将近50年后看到自己的科学工作得到如此级别的承认。而且,在获得这一奖项时,阿布里科索夫早已移居美国从事研究了。
  如果要对他们的工作的背景和意义稍有些认识的话,恐怕不得不简要地回顾一下超导研究的历史。[2]早在1911年,荷兰物理学家卡末林•昂内斯(H. Kamerlingh Onnes)最先发现了超导现象。粗略地说,就是某些金属和化合物在非常低的温度下电阻会突然变为零。当时卡末林•昂内斯是在利用他本人最先成功地液化的氦而获得的大约摄氏零下269度左右的温度下,在金属汞中发现的这一现象。后来,人们又陆续发现了这些超导体的其它一些性质,如它们在磁性质上与正常导体的不同等。对于这超导现象,人们几乎从一开始就努力要从物理学理论上予以解释,但在理论研究方面的进展却非常缓慢。到了20世纪30年代,才有了最初的关于超导体的热力学和电动力学唯象理论(如基于戈特-卡西米尔的“二流体”模型的热力学理论和伦敦兄弟的电动力学超导理论)。所谓唯象理论,就是指不是从第一性的基本原理(如量子力学等)出发,而是预先做了一些假定(比如说假定了超导体中有超导电子和正常电子),然后再在这些假定的基础上结合其它基本理论来说明物理现象。至于第一个比较成功地从量子力学出发直接解释超导体的微观理论,则直到1957年才由巴丁(J. Bardeen)、库珀(L.N. Cooper)和施里弗(J.R. Schrieffer)这三位美国物理学家提出,而他们三人也因此工作于1972年获得了诺贝尔物理学奖。[3]
  因此,要以一种历史发展的顺序,以便更清楚地叙述与这次诺贝尔物理学奖有关的超导理论工作,更好的是颠倒一下次序,先从第二名获奖者金茨堡的工作讲起。
  金茨堡1916年出生于苏联的莫斯科。1942年获得博士学位。除了超导之外,他的研究工作涉及到许多不同的领域,如量子电动力学、基本粒子理论、凝聚态的辐射理论与光学、凝聚态理论、等离子体物理,以及天体物理学等,是一位“全能”型的物理学家。[4]1950年,他与另一位苏联的物理学大家朗道(L.D. Landau)考虑到当时已有的超导理论并不令人满意,因为它们无法让人确定正常相和超导相之间边界的表面张力,也不可能很好地描述磁场或电流对超导电性的破坏,因而,他们一起提出了一个比以前已有的超导唯象理论更精致、也更实用的超导理论。[5]当然,这也还是一个唯象的理论。这个理论是以朗道提出的二级相变理论为基础的,选择描述超导电子的有效波函数作为有序度参量,得出了重要的两个联立的方程,后来它们被人们称为金茨堡-朗道方程。从这两个基本方程出发,金茨堡和朗道成功地计算出了超导体的许多特性,特别是在有外磁场存在时,超导体是薄膜形状时的一些特性。他们发现,在外磁场中,当薄膜的厚度小于某一临界值时,从超导态向正常态的相变是二级的,仅当薄膜的厚度大于这个临界值时,在磁场中的超导-正常相变才是一级的。而且,他们还引入了一个重要的参量κ,尽管当时对此参量的物理意义并不明确,但它已经隐含了超导体可以有负的界面能的可能。在当时,由于还没有任何详细而且成功的超导微观理论,他们可以说是依靠着惊人的物理直觉得出了这一理论。反过来,后来的超导微观理论进一步的发展,却逐渐地揭示出了他们的理论中一些物理量(如有序度参量即超导电子波函数)的意义。而且,尽管作为一种唯象理论,但与后来的微观理论相比,它却显得更加实用,成为描述强磁场中的超导体、超导薄膜、超导合金等的有效理论,其意义和影响甚至超出了超导领域之外。
  目前在金兹堡的个人主页上所开列的他在凝聚态物理、等离子体物理和天体物理领域中的9项重要贡献之一,就是对金兹堡-朗道超导理论的提出。 
  与金茨堡合作提出其超导理论的苏联物理学家朗道更是一位物理学的“通才”,在物理学研究中涉及的领域更多,贡献也更大,早在1962年,就因其关于液氦的理论而获得了物理学诺贝尔奖。但他于1968年就逝世了,因而无法等到今天再与金茨堡分享因其超导理论而获得的诺贝尔奖,不过,却也在每年最多三位的获奖名额中留出了给其他人的空额。
  正是在金茨堡和朗道的超导理论基础上,才有了后来阿布里科索夫的获奖工作,而且,在这项工作中,也还有着朗道在某种程度上的参与,在一开始,这种参与所起的作用甚至是负面的。
  阿布里科索夫1928年出生于莫斯科,他曾在莫斯科大学和苏联科学院物理问题研究所就读研究生,1951年获博士学位。他的研究领域也非常广泛,但主要是在凝聚态理论方面,包括对超导电性、金属、半金属和半导体等的研究。[6] 
  在金茨堡和朗道的研究中,只注意了在超导相和正常相之间界面能为正的情况。而阿布里科索夫却注意到以前的一些关于金属薄膜的实验与理论之间的不符,从而假定在界面能为负的情况下,计算出超导体的临界磁砀和薄膜厚度之间的关系,他从理论上处理的这类具有负界面能的超导体,也就是由他最先命名并而在今天实际应用中使用最广泛的“第二类超导体”。在此之后,阿布里科索夫进一步研究了大块材料的第二类超导体的磁性质,发现其中会出现一种磁通线形成周期性的“格子”的“混合态”。但他的这项研究一时没有得到身边的物理学权威朗道的认可,便暂时放在了一边没有发表,并暂转向了其它研究领域。[7]后来,由于受到美国物理学家费曼(R. Feynnman)的液氦理论中“无涡旋”概念的启发,他又重新与朗道讨论第二类超导体的问题。这次,朗道没有再表示反对意见。他发现了在20世纪30年年另几位苏联物理学家的有关实验结果正好构成了对他的理论的支持,这样,才最终1957年发表他关于理想第二类超导体的理论。这一理论成了人们认识更为实用的第二类超导体的基础,并被认为是低温物理学中最杰出的成就之一。
  在阿布里科索夫最终发表他的第二类超导体的那一年,正好是三位美国物理学家提出第一个成功的超导微观理论(BCS理论)的同年。美国同行的工作在当时引起了人们更大的兴趣,并于1972年就因之而获得了诺贝尔奖,而阿布里科索夫的理论在刚一提出时却没有引起人们太大的关注。只是在后来,1959年,另一位苏联物理学家戈尔科夫在某种近似下从BCS理论“推导”出了金兹堡-朗道方程,为其提供了微观基础。而且,随着越来越多的第二类超导体的发现,人们又在阿布里科索夫的理想第二类超导理论的基础上发展了非理想的第二类超导体理论,第二类超导体在实践中也越来越展现出其应用价值,阿布里科索夫的工作才逐渐为人们所重视。如今,即使在超导研究又有了诸多新的进展之后,即使在已经有了较为成功的超导微观理论之后,以及在新的高温超导体的发现(在1987年又有两位物理学家为此而获奖)之后,在新的高温超导体的发现为超导微观理论提出了新的挑战之后的今天,阿布里科索夫和金茨堡二人因其几十年前的“经典”超导理论而获奖,也说明了其理论的实用性,以及人们对于超导技术的应用的更大的关心。 
  2003年诺贝尔物理学奖的前两位得主都是由对超导电性这种量子宏观现象的研究。第三位得主是拥有英国和美国双重国籍的科学家安东尼·莱格特,他是三位获奖者中最年轻的,出生于1938年,他的研究领域包括理论凝聚态物理学、低温现象、统计物理、量子测量理论等,[8]而这次获得的工作涉及的是一个与超导有些类似,而且同样是处于低温领域的量子宏观现象即液氦的超流动性的理论研究。
  1908年,还是那位曾发现了超导现象的荷兰物理学家卡末林•昂内斯将成功地将氦气液化,这是地球上最后一种被液化的气体。但是,在这种奇异的气体中,在20世纪30年代,苏联物理学家卡皮查(P.L. Kapitsa)等人又陆续又发现了更加奇异的现象,即超流动性。卡皮查于1978年,“因为低温物理方面的基本发明和发现”而获得了诺贝尔物理学奖。如果说有什么巧合的话,那就是这次的获奖者莱格特出生的那年,正是超流动性在实验上被正式明确认可的那年。所谓超流动性,就是说在特定的低温下,液态氦的粘性会完全消失,并因而可以表现出一系列令人匪夷所思的神奇现象。液氦的这种与超导有些类似的奇异性质,其实与超导一样,都是一种宏观的量子现象。对于液氦的超流动性的研究,特别是理论研究,也是多年来理论物理学中的一个难题。前面曾提到,苏联物理学家朗道就是因其超流动性的理论研究而在1962年获得诺贝尔奖的。
  但是,在以往的研究中,人们知道的都是有关氦4的超流动性,而氦的另一种同位素氦3的超流动性,则直到20世纪70年代才为三位美国物理学家李(D.M. Lee)、奥谢罗夫(D.D. Osheroff)和理查森(R. Richardson)在实验发现(他们三人也因此而获得1996年的诺贝尔物理学奖)。氦3的超流动性,在物理机制上要比氦4的超流动性更为复杂。这次获奖的莱格特,就是于20世纪70年代在英国工作时最先成功地从理论上根据氦原子自旋和轨道的对称性自发破缺机制解释了新发现的氦3的超流动性。他的这种超流动性理论,对于人们理解极端条件下的物质的性质是非常有用的,而且,除了对于解释氦3的超流动性本身的意义之外,在其它的一些物理领域中,例如像在粒子物理学和宇宙学中,也被证明是非常有用的。
  到目前为止,在超导和超流动性现象发现不到一百年的时间内,在这种对低温世界探索中,有关的理论和实验研究者已有16人获得了诺贝尔物理学奖,这标志着此领域的研究在物理学中的重要意义。这一次颁发的诺贝尔物理学奖,在低温研究领域,也是有关研究工作的做出距获奖时间最长的一次,颇有些迟来的对历史之某种“补偿”的意味,但与此同时,也表示着低温领域的研究仍然为人们所重视。
  

  1 http://www.nobel.se/physics/laureates/2003/index.html
  2 刘兵,章立源.超导物理学发展简史.西安:陕西科学技术出版社,1988
  3 刘兵.著名超导物理学家列传.北京:北京大学出版社,1988:107-130 
  4 http://www.tamm.lpi.ru/staff/ginzburg.html
  5 Ginzberg G.L., Landau L.D. On the Theory of Superconductivity, in Men of Physics: Landau, D. Ter Haar ed. Pergamen, 1965; 138
  6 http://www.msd.anl.gov/groups/cmt/people/abrikosov.html
  7 Abrikosov A.A. My Year with Landau, Phys. Today, Jan. 1973;56
  8 http://www.physics.uiuc.edu/People/Faculty/profiles/Leggett

 

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Look at the 2003 Nobel Prize in Physics from History of Low Temperature Researches
LIU Bing
Professor, STS institute, School of Humanities and Social Sciences, Tsinghua University, Beijing 100084
Key words superconductivity superfluidity Nobel Prize 


 

2004年1月18日加入