文/陳思進
2022年12月13日，美國能源部官員宣布，加州科學家在這一領域獲得重大突破。由美國政府資助的加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL），首次成功在核聚變反應中實現「淨能量增益」，即聚變反應產生的能量大於促發該反應的鐳射能量。科學界公認，儘管這項技術的商業化還有待時日（預計十年），這已然是核聚變研究方面的重大里程碑！
一波未平一波又起，不到三個月，3月10日，在物理學的盛會——美國物理學會的三月會議上，又爆出了一個大新聞，來自羅徹斯特大學的蘭加·迪亞斯（Ranga Dias）宣布，他們團隊在「近環境壓強下」實現了室溫超導。報告的題目是：Observation of Room Temperature Superconductivity in Hydride at Near Ambient Pressure（近環境壓強下觀測到的金屬氫化物室溫超導現象）。
不過，此新聞一經公開，立刻有好些人質疑這位科學家不靠譜；過了幾天，又有傳聞說這次實驗因材料丟失，無法重複。Anyway, 本次實驗的成功真假如何，不是此文討論的重點，此文的目的是科普一下超導。
超導（Superconductivity），是一種神奇的物理現象，是指材料在低於某個溫度時，電阻變為零的現象，即某種超導材料中通過電流而不會有任何電阻的電流傳輸（如果單看超導環境裡面的電流，感覺就好似永動機一般），而這「某個溫度」被稱為超導轉變溫度（Tc）。
出現超導時一般會出現兩個現象，一個是電阻為0；另外一個是完全的抗磁性。也就是說，當材料在一般狀態時，金屬磁力線可以穿過它，但是一旦進入超導狀態，磁力線就完全傳不過去了。此時就會產生一股巨大的、甚至是它自身重量幾百倍的排斥力，將它推起來，磁懸浮就是這個原理。
超導現象，最早於1911年被荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）在實驗室中發現，並因此獲得了1913年的諾貝爾物理學獎。昂內斯是在零下269度（接近絕對零度）的溫度下，發現了水銀超導。
後來，科學家漸漸地發現，目前的118種元素裡面，通過不同的元素搭配起來，能在不同的溫度下實現超導。經過多年的努力，超導的溫度從接近絕對零度，到零下200度、零下150，so on and so forth……不斷地在提升。
由於超導材料的電阻為零，這意味著在超導材料中通過電流不會損失能量，因此可以連續流動而不需要任何外部能量輸入。因著這個特性，超導材料在電力傳輸和磁共振成像等領域中有著廣泛的應用。
金屬導體的電阻會隨著溫度降低而逐漸減少。然而，對於普通導體如銅和銀，即使接近絕對零度時，仍然保有最低的電阻值，這是純度和其他缺陷的影響所致。另一方面，超導體的電阻值在低於其"臨界溫度"時，一般出現在絕對溫度20 K或更低時會驟降為零。在超導體線材裡面的電流能夠不斷地持續而不需提供電能。如同磁性和原子能譜等現象，超導特性也是種量子效應。這種性質無法單純靠傳統物理學中理想化的「全導特性」來理解。
科學家還發現，超導現象可在各種不同的材料上發生，包括單純的元素如錫和鋁，以及各種金屬合金和一些經過布塗的半導體材料。所以超導現象不會發生在貴金屬（如金和銀）上，也不會發生在大部分的磁性金屬材料上。
超導現象的發現給物理學帶來了重大的貢獻，也推動了科學技術的發展。例如，超導技術在MRI（磁共振成像）中得到廣泛應用。MRI利用了超導材料在外部磁場下的特殊性質，可以在不使用有害的放射性物質的情況下生成人體內部的高解析度圖像。此外，超導材料還在高速列車、飛行器和電力輸電等領域中得到廣泛應用。
然而，超導材料的應用仍然受到一些條件限制，如材料製備的成本和需要極低的溫度才能實現超導等。近年來，科學家們對高溫超導材料進行了研究，這些材料可以在相對較高的溫度下實現超導。這種研究為超導材料的應用提供了新的機會和挑戰，也推動了超導技術的進一步發展。
總之，超導是一種令人興奮的現象，它在科學、醫學和工程等領域中具有極其重要的應用，甚至將會為我們的生活和工作帶來革命性的變化。
那麼，前些天炸翻物理學界的新聞——金屬氫化物室溫超導現象，為何會如此火爆呢？
這是因為迪亞斯宣布，在室溫常壓下，實現了氫-氮-鑥的超導！他這個學術成果是否能複製暫且不提，這不是本文討論的重點。但是他所公布的21度室溫是沒錯兒的。不過，他指的那個常壓為1萬個大氣壓，聽上去所需壓力依然巨大。然而，相對之前的上百萬個氣壓而言，就已經是相對的常壓了。
談到這兒，我們設想一下，如果一旦實現常溫超導，將會給人類社會帶來什麼變化？
首先簡單而言，要是真能實現的話，我們的生活將徹底改變。如別說磁懸浮列車了，現在的那些汽油、柴油、甚至新能源電動車，就將全部淘汰，只要地底下埋上磁感線圈，汽車就都能用上磁懸浮了；而且，以後也不用交流電了，全部直流電了，因為不用交流電來降低損耗了。
再展開來詳談：
1、將大幅提升能源的傳輸效率：超導材料可以在電力傳輸中減少能量的損失。如果實現常溫超導，我們將能夠製造更為高效的電力輸送系統，這將減少能源浪費和環境污染；
2、可提高電子設備的性能：在當前的電子設備中，電阻會導致能量浪費和熱量產生，從而限制了其性能。如果實現常溫超導，我們可以開發更高效、更快速和更強大的電子設備；
3、可實現交通運輸的革命性變化：由於超導材料可以在磁場中產生極強的力，如果實現常溫超導，我們將能夠建造更快速、更安全和更環保的列車和飛行器；
4、醫療診斷和治療的革命性變化：超導材料已經被廣泛用於磁共振成像（MRI），這為醫學診斷提供了非常有價值的工具。如果實現常溫超導，MRI等醫療設備將更加高效和精確。
而且，其實，在文章開頭提到的那個核聚變，也必須在超導環境下進行。
總而言之，一旦真實現了常溫超導，將會推動人類進入到能源自由的新時代！
2023年03月26日寫於多倫多安大略湖畔