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由百年超导的研究看科学理论创新的难度

已有 4006 次阅读 2011-9-18 17:59 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记

 

       Kamerlingh Onnes 1911年发现超导现象以来,到现在100年了。在此期间,研究成果多如牛毛。但是,考察其曲曲弯弯的历程,却给人以无法抹去的结论:

       某些个定量结果(数值结果),尽管能令人吃惊的与可以得到的(文献上报导的)实验资料吻合的很好,但是,在修订理论(物理模型)的意义上,或在修订计算的具体细节的意义上,却是脆弱的,它们(数值结果)是无法保证修订后的理论和实验间的吻合性的。(Tilman Sauer, Einstein and the early theory of superconductivity, 1919-1922, arXiv:physics/0612159V1).

       这话的理念是:对理论进化(修订理论(物理模型))而言,真正起引导作用的是新发现的物理事实,而不是单纯的由已知理论给出的解答(一般说来是勉勉强强的)。

       这个论调初看之下令人费解,但是,在仔细考察所指的,在修订理论(物理模型)的意义上,就超导的研究历程而言,却是令人信服的一种说法。

       超导对经典物理学理论的挑战表现在两个方面:

       1)如果接受对温度T的热力学解释,可以得到热传导系数,它表征质量传输;而电子如果满足这样一个传输的话,则由于电子的(质量/电荷量)比是不变的,因而,也就得到了电导率;二者(热传导系数和电导率)是非内在独立的。在常温下,这个理论的结果被实验的结果证实,定量结果(数值结果)令人吃惊的与实验资料吻合的很好。

       那么,电流的电子气传输理论就被接受了。

       但是,超导的发现表明,电导率与温度成正比在低温下是不成立的。与此相反,在低温的某个临界温度,电导率增大为常温值的10个数量级。

       这么大的数量级无法给出如何修订经典热力学的任何暗示。

       2)如果接受对电导率的经典电磁场理论解释,则电流密度是电导率与电场强度的积。在无限大电导时,电流密度无限大。但是,这是不可接受的。

因而,如果用经典电磁场理论解释超导,则电导率的概念面临挑战。但是,面对10个数量级,也无法给出如何修订经典电磁场理论的任何暗示。

 

事实上,超导现象的重要性在于:理论上,对热力学、对电磁场论,同时挑战。

这种挑战的难点在于:能解决超导体问题,但是,又能解决常温下的电导率问题。二者间的转折条件显然是必须给出的。

这样,它形式上可能与经典物理学理论矛盾,但在本质上,对常温,能给出与经典物理学理论类同的结果。

理论创新的难度可想而知。

就目前而言,对超导体,电磁场论与热力学间的内在联系还是不确定的。因而,也就不难理解为何BCS理论并不能被看成是对超导的句号。

相反,对超导的工程应用将进一步的给出新的挑战(如物质结构、运动的一般性理论)。

 



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