第39章 超导托起的空中列车

第三十八章超导托起的空中列车

超导技术的发明

自古以来，人类逐渐形成一种认识：世间没有永恒的东西。而超导技术的发明，将使人类生

活的诸多方面大为改观，人类的认识也将经历大的变革。

绝对零度发现超导

在低温条件下物质表现出一种奇异特性人们称之为超导现象。

超导现象的出现却并非是一般意义上的低温，而是以绝

对温度衡量的超低温。绝对零度约等于零下273摄氏度，以这点开始，每增加一度为1K。

1911年，荷兰莱顿实验室里大物理学家昂尼斯一直想采用一种手段力求使汞的温度冷却到接

近绝对零度，但他没有成功，始终没有找到合适的冷却剂。后来，还是他

的学生兼助手霍尔斯特提醒他

利用液态氦进行冷却，终于使汞的温度冷却到接近绝对零度。当他将电流通

过汞线，测量汞线的电阻随温度变化时，一个奇异的现象出现

了：当温度降到4.2K时，电阻突然消失了。昂尼斯的神经立即绷了起来，他简直不敢相信

自己的眼睛，他让助手重新做了一遍测试，结果发现还是出现了电阻消失的现象。昂尼斯和

助手紧紧地拥抱在一起，流下了滚烫的泪水。昂尼斯称这种现象为物质的超导性，而

汞这时进入的状态叫“超导态”，电阻为零的

温度则为转变温度。

不久，昂尼斯又发现了其他几种也可进入“超导态”的金属如锡和铅。锡的转变温度为3.8K，铅的转变温度为6K 。由于这两种金属的易加工特性，就可以在无电阻状态下进行种

种电子学试验。此后，人们对金属元素进行试验，发现铍、钛、锌、镓、锆、铝、锘等24种

元素是超导体。从此，超导体的研究跨上了新的台阶。

昂尼斯的发现具有重大的科学意义和重要的实用性。多少年来，科学界一直都在嘲笑那位幻

想制造“永动机”的天真人士。那么，“永动机”难道真的永远只是美梦吗?

电烙铁接通电源后就会发热，进而达到熔化焊锡的程度，这是由于电流的热效应。

但是，在许多情况下，我们所需要的

不是热能，像我们希望从白炽灯得到光，从电动机得到机械能，电流的热效应便造成电能衰

减，带来不必要的浪费。昂尼斯做了一个重要实验，使电流通过冷却到4K的铅线回路，一年

后电流仍然没有减弱地流动着。

由于电流可以产生磁场，昂尼斯相信，超导线圈可以形成大的工业磁体。这样的超导磁体由

于超导线圈内没有电阻损失，则无需提供连续的能源而运行。这样，“永动机”的梦想不就

可以实现了吗?

长期探索艰苦执著

在认知自然的过程中，人类一直在艰苦执著地探索，超导现象的发现便是长期探索的成果，

而绝非偶然。

1891年，法国的路易·加莱泰、瑞士的拉马尔·皮克泰成功地使微量的“永久气体”——氮

、空气和氢液化。俄国的格拉斯科也成功地得到一定量的液体空气。他发现纯金属的电阻率

与温度的关系有些奇特：看上去好像是在绝对温度零度附近其电阻会完全消失。这个奇妙的

可能性促使产生了能预示从零电阻到无穷大电阻的许多限制低温性能的理论。

1892年，英格兰的詹姆斯·杜瓦发明了以他的名字命名的真空绝缘镀银玻璃容器。利用这容

器他获得了其量可供做实验用的液态氢，并且将温度进一步降低。在这一温度下，他发现金

属的电阻并没有消失，只是电阻已不随温度而变罢了。

后来，在威廉·拉姆齐发现地球上有氦之后不到20年，即1908年，坎默林·昂尼斯又成功地

使之液化。液态氦使实验室实验的温度降低了一个数量级。3年后，坎默林·昂尼斯和

学生霍尔斯特又发现，当在液态氦中冷却汞时，试样的电阻在临界温度时会突然消失。以后

在进一步的实验中感应产生的持久电流仍没有明显的衰减。

1993年，柏林麦斯纳的超导实验室又有一重大发现，即所谓麦斯纳效应。麦斯纳与其同事俄

逊菲尔德在试验中发现超导体具有令人惊奇的磁特性。如果超导体碰到磁场，将在超导体表

面形成屏蔽电流以反抗外界磁场，使磁场不能穿透超导体的内部，而在其内部仍保持零磁场

。逆向试验得到相同的结果。这种现象因此称作

麦斯纳效应，也就是在超导

体内部磁感应强度为零，电流在表面流动。可用一个试验来演示该效应：一块永磁体可以使

浸泡在液氮中的超导体悬浮起来。

麦斯纳效应只有当磁场较小时才会出现，如果磁场过大，磁场将穿透金属内部，从而金属失

去超导性。

1957年，依利诺伊大学的巴丁、库柏和施里弗提出了BCS理论(取自三人姓名的字头)，较好

地解释了超导现象。

BCS理论用量子力学来描述超导体系统状态。正常态的电子是互相排斥的，超导态时，电

子相互作用，使电子两两相互吸引，形成电子对，称之库柏对。含有库柏对电子的金属具有

较低的能态。

后来，吉埃弗观察到电子可以从一个超导体穿过薄绝缘层到达另一超导体，称之内“随着现

象”；随后，英国的约瑟夫逊推测BCS理论提到的库柏对也可通过薄绝缘层，很快贝尔实验

室便证实了这个预言。

1962年，剑桥大学研究生约瑟夫逊分析了由极薄绝缘层隔开的两

个超导体断面处发生的现象。他预言，超导电流可以穿过绝缘层且只要超导电流不超

过某一临界值，则电流穿过绝缘层时将不产生电压。他还预言，如果有电压的话，则通过绝

缘层的电压将产生高频交流电，这就是所谓的约瑟夫逊效应并在1963年被罗威尔等人用试验

证实了，约瑟夫逊效应是超导体的电子学应用的理论基础。

1957年，苏联物理学家阿伯里柯索夫就预言，一定存在着具有更好性能的新超导体材料，这

些材料即便处在很高的磁场中也能实现超导化，磁通线可以穿透材料，但磁通线之间的区域

将没有电阻地携带着电流。阿伯里柯索夫称之为第Ⅱ类的超导体材料，这为开发商品化的超

导磁体提供了理论基础。

不久，即1960年昆磁勒和他的同事在贝尔实验室的试验中发现一组超导化合物和合金(第Ⅱ

类超导体)，它们可以携带极高的电流，而且在强磁场中仍具有超导性，使人们对超导磁体

和超导强电部件产生了浓厚兴趣。

空中列车交通奇迹

直到1985年，超导材料的转变温度的最高记录只为232K。而从1986年开始，超导材料的转

变温度有了突飞猛进的提高。先是在1986年4月。IBM的苏黎世实验室研究人员将转变温度提

到30K，揭开了转变温度提高的序幕。1987年初，中国、日本和美国的科学家采用金属氧化

物，将超导临界温度提高到了100K以上。1987年3月9日，日本宣布获得了175K的超导材料。

随后，美国、日本又分别利用粒子束和中子束照射氧化物陶瓷超导材料，获得了180K、270K

性质稳定的超导材料。

超导技术的不断进步，为超导材料的应用提供了可能。早在1966年，波维耳等人就建议利用

导磁体和路基导体中感应涡流之间磁性排斥力，把列车悬浮起来。而磁悬浮列车已在日本出

现。

磁悬浮列车的形状非常奇特。它既没有引擎、车轮，也没有传统意义

的铁轨，在它飞速行驶时既没有隆隆声，也听不到刺耳的刹车声。这种奇特的火车车身靠磁

场悬浮在导轨上，像一架没有翅膀的飞机在超低空飞行，因此又被称作“空中列车”。

与普通的列车相比，车轮与钢轨之间的摩擦力没有了，磁悬浮列车不仅能有效地利用能量，

把列车从噪音与振动中解放出来，而且能实现列车行驶的高速度，它的行驶速度高达500公

里每小时以上，这是目前人们所使用的陆地交通工具中最高的速度。

然而要想使沉重的列车悬浮起来可非易事，普通的磁铁难以胜任，必须得借助超导材料。在

列车每一节车厢下面的车轮旁边，都安装有小型超导磁体，在地面上的轨道两侧埋设有一系

列闭合的铝环线圈。当列车向前运动时，给列车上的超导体接通电流产生强磁场。地上线圈

与之相切割，从而在铝环内就会产生很强的感应电流。这些感应电流产生的磁场与列车上超

导磁体产生的磁场方向相反，两个磁体产生相当大的排斥力，当排斥力足够大时，列车就浮

起来了。磁悬浮力随运动速度的提高而增强。

前途光明道路曲折

自从高温超导体发现以后，超导技术对当今的社会和产业的冲击是巨大的，科学技术界对超

导技术发展的前景表示了各种各样的见解，特别是从技术和经济分析方面对超导应用进行了

估价与预测。

大多数专家，特别是超导专家对超导发展的前景持乐观态度，认为“超导引起的产业革命即

将到来，这与半导体带来的影响相同，大概会引起至今没看到过的产业革命”。专家们从技

术与经济可行性角度出发，对具体超导技术应用的实现同时持慎重态度，特别对超导在能源

与运输设备上的应用(强电或强磁)实现时间的估计，大多数认为是21世纪的事情。个别专家

认为：“半导体从二接头二极管发展到三接头的晶体管用40年时间，超导也许要经过很长的

时间才能实用，但应用实现时影响是很大的。”超高速的超导计算机实用化的时间可能比能

源与运输设备还要晚。总的来说，大多数超导弱电、弱磁应用实现时间要比强电、强磁早。

尽管“仁者见仁，智者见智”，但学术界从未在研究的道路上畏缩不前。各国政府，特别是

工业发达国家的政府，对超导研究极力支持，并给予大量投资，这些国家有实力的公司对研

成果迅速引进，迅速转变为生产力，这些都有利于超导技术的发展。这也说明，政府、企业

与超导专家、研究者，在对超导将起的作用的看法方面取得了共识。超导在21世纪必将占有

重要地位。