諾貝爾物理學獎得主阿列克謝阿布裏科索夫、維塔利金茨堡、安東尼萊格特

瑞典皇家科學院7日宣佈,將2003年諾貝爾物理學獎授予擁有俄羅斯和美國雙重國籍的科學家阿列克謝阿布裏科索夫、俄羅斯科學家維塔利金茨堡以及擁有英國和美國雙重國籍的科學家安東尼萊格特,以表彰他們在超導體和超流體理論上作出的開創性貢獻。

諾貝爾物理學獎評選委員會負責人馬茨榮松介紹説,超導電性和超流性是極端低溫狀態下發生的兩種現象。目前,超導體材料被廣泛應用於核磁共振成像和粒子加速器等領域,而超流體則讓人們更深入地了解物體在低溫狀態下的表現形式。

他説,在略高於絕對零度的低溫下,某些金屬會讓電流無阻力通過,這樣的超導體材料還具備能夠完全或部分遮罩磁場的特性。換句話説,電阻變為零,外部磁場可能無法進入超導體內部。能完全遮罩磁場的超導體被稱為Ⅰ類超導體。如果外部磁場過強,這種超導體的超導性能會受到破壞。解釋這一現象的理論獲得了1972年諾貝爾物理學獎;而部分遮罩磁場的超導體被稱為Ⅱ類超導體,它能在強磁場中保持超導性能,正是阿布裏科索夫成功地在理論上解釋了這一現象。而他的研究是建立在金茨堡等人的研究成果基礎上的。

阿布裏科索夫和金茨堡等人讓超導電性“走”出了超低溫世界,而萊格特的成就是對物體在低溫下的超流性進行了解釋,即液態氦的粘性為何會在低溫下消失。

這三位獲獎者都是高齡老人,他們將分享總額為130萬美元的獎金。

阿布裏科索夫1928年生於莫斯科,1951年在莫斯科物理問題研究所獲物理學博士學位,現就職于美國伊利諾伊州國立阿貢實驗室。他曾在俄羅斯的多家研究所和大學工作,涉足超導體、金屬、半金屬和半導體等多個研究領域。

金茨堡1916年生於莫斯科,1942年在莫斯科大學獲物理學博士學位,曾任莫斯科列別傑夫物理研究所理論室主任,現為俄羅斯科學院顧問。他在上世紀50年代與一些科學家率先提出了有關Ⅱ型超導體的理論。

萊格特1938年生於倫敦,1964年獲牛津大學物理學博士學位,現為美國伊利諾伊大學厄巴納-尚佩恩分校教授。

科普:解讀2003年諾貝爾物理學獎成果

通常條件下導線有電阻,因而大量電能浪費在傳輸過程中;流體在流動過程中自身會産生阻力,因而原油在輸油管中流動需要外界提供動力。很多人會想到,如果電流傳輸、流體流動沒有阻力該多好。2003年諾貝爾物理學獎表彰的成果恰恰與這兩個奇妙的想法有關。

瑞典皇家科學院7日宣佈,將2003年諾貝爾物理學獎授予擁有俄羅斯和美國雙重國籍的科學家阿列克謝阿布裏科索夫、俄羅斯科學家維塔利金茨堡以及擁有英國和美國雙重國籍的科學家安東尼萊格特,以表彰他們在超導體和超流體領域中做出的開創性貢獻。

很多宏觀現象可以從微觀領域中得到解釋。電流是導體中電子的定向移動。電子在原子間移動時,由於電子與原子核間的電磁力的作用,會引起原子振動。這就是電阻的成因。大量原子振動在宏觀上表現為導體發熱,到達一定程度可使導體熔化。電焊、電切割利用的就是這一原理。流體流動時産生的阻力實質上是流體分子之間存在的吸引、碰撞等相互作用造成的。要消除電流和流體傳輸中的阻力,就必須在微觀粒子特性上想辦法。

1911年,荷蘭科學家卡麥林昂內斯發現,汞在4.2開氏度(零下273.15攝氏度為0開氏度,即絕對零度)時,其電阻會突然消失。他稱之為“超導電性”,並因之獲得1913年諾貝爾物理學獎。對這一奇妙的現象,直到1957年科學家才作出較為成功的理論解釋。美國物理學家巴丁、庫珀和施裏弗提出,超導體中存在著電子對,這些電子對可以平穩地通過由失去部分電子的原子所組成的通道,不會引起原子振動,即為超導現象。這三位科學家因此而獲得1972年的諾貝爾物理學獎。後來科學家發現存在著兩種超導體。一種稱為I型超導體,主要是金屬超導體。它對磁場有著遮罩作用,也就是説磁場無法進入超導體內部。如果外部磁場過強,就會破壞超導體的超導性能。另一種稱為II型超導體,主要是合金和陶瓷超導體。它允許磁場通過。

科學家發現,巴丁、庫珀和施裏弗提出的理論只能解釋I型超導體的特性,無法解釋II型超導體的特性。1950年維塔利金茨堡與蘇聯科學家列夫郎道(因對凝聚態的研究成果獲得1962年諾貝爾物理學獎)提出一種描述超導等現象的公式,在此基礎上,1957年阿列克謝阿布裏科索夫提出了一種能夠解釋II型超導體特性的理論。這一理論認為,II型超導體中的電流形成了一個個小旋渦,如同水流中的旋渦一樣,這些旋渦形成了一個有序的點陣,就像排列整齊的士兵方隊一樣。這樣可以使超導體中電子運動的阻力消失,又可以使磁場能夠從點陣中的通道通過。可以這樣理解:讓混亂的人群前進的難度很大,而讓排列整齊的士兵方隊前進很容易,前進的阻力大大減少,這就是II型超導體電阻消失的原理;同時,士兵方陣隊與隊之間的通道很容易讓人們通過,這就是II型超導體允許磁場通過的原理。

超流體現象也是在超低溫環境下觀測到的。大氣中稀有的惰性氣體氦很難液化。直到1908年,荷蘭科學家卡麥林昂內斯才把它製成液體。氦有兩種同位素,即由2個質子和2個中子組成的氦4和由2個質子和1個中子組成的氦3。20世紀30年代末,蘇聯科學家彼得卡皮察首先觀測到液態氦4的超流體特性。他因與此相關的成果獲得1978年諾貝爾物理學獎。這一現象很快被蘇聯科學家列夫郎道用凝聚態理論成功解釋。不過,科學家直到20世紀70年代末才觀測到氦3的超流體現象。因為使氦3出現超流體現象的溫度只有氦4的千分之一。科學家發現,氦3超流體有一些特別的現象無法用原有理論解釋。針對這些現象,20世紀70年代末,在英國工作的安東尼萊格特提出了一個能用數學公式解釋氦3超流體現象的理論。後來證明這一理論能夠系統地解釋多種超流體的特性,並適用於粒子物理和宇宙學等其他領域。

正如其他科學發現一樣,一旦找到應用它們的方法,就會改變我們的生活。超導材料的用途非常廣泛,比如在磁懸浮列車、核磁共振成像、超導發電、超導電腦、輸電和儲能等方面都有很大用處。如今世界各國對超導的研究越來越熱,而重中之重就在於常溫超導。有專家預測,這種技術一旦推廣應用,總體上可以節約目前三分之二的電力。與超導原理已經得到應用相比,超流體原理的應用尚在研究之中。不過,這一領域已經曙光初現。2002年,德科學家實現銣原子氣體超流體態與絕緣態可逆轉換。世界科技界認為該成果將在量子電腦研究方面帶來重大突破。這一成果被中國兩院院士評為2002年世界十大科技進展之一。

新華網 2003年10月8日


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