超导体是一个非常热门的物理学概念,简称超导。超导是一种电阻为零的导体,如果超导能够被投入商用,以后我们用电几乎可以告别交流电了。最早我们选择使用交流电,是因为电流在输送过程中,在电线上会损耗大量能量,如果用交流电的话,我们可以通过提升电压来降低在电线上的能量损耗。如果电线的电阻为零,不再有能量损耗,那我们便自然而然地可以使用直流电了。
理解超导体,首先要理解超流体。简单来说,超流体就是运动起来不会停下的、没有摩擦的**。普通**,比方一桶水,拿根筷子搅一搅,水有内部摩擦,很快就会停下来。超流体如果拿筷子搅一搅,它会永远转下去。为什么会出现超流这种现象呢?我们可以换一种思路来看这个物理过程。根据能量最低原理,物理系统都有主动降低自身能量的趋势。当然对于超流这样的多粒子系统,它也满足统计力学的规律,倾向于降低自己的自由能。有摩擦的**之所以有摩擦,是因为通过摩擦降低自身的动能可以使整体的自由能最低。超流体没有摩擦,其实是超流体无法通过摩擦给出动能的方式来降低自己的自由能。
超流体是在温度极低,也就是4K(约-269.15摄氏度)左右的液氦中实现的。这种低温环境下,液氦的量子特性会充分显现,它大概率处在玻色-爱因斯坦凝聚的状态下。我们知道,量子力学系统的能量等级是离散的。也就是能量等级之间,不能取任意值,而是只有特定值的能量可以存在。现在来考虑这样一个过程,譬如一个运动着的氦原子,它要把自己的动能给出去,从而降低整体的自由能,但如果它本身的动能就很低,不足以把其他氦原子激发到更高的能量状态,这种情况下,氦原子的动能就给不出去了,它就永远也不会减速。就好比你在停车场停了一晚上车,要出去的时候停车费100元,但你只带了50元,于是你就出不去了,只能在停车场里打转。