聊粒子-超导体

26 3月

杨振宁先生提出杨米尔斯规范场里有个缺陷:规范场必须满足规范对称性,其中用来传递作用力的规范玻色子不能有质量。

例如电磁场是规范场,因为光子静质量为0,所以光子能在电磁场中传递电磁力,电磁场才具有某种对称性,才能有电荷守恒。如果光子有质量,对称性就会被破坏,电荷就不守恒了。

但除了光子,传递弱力的规范玻色子W+-和Z0都是有质量的。

物理学家们就假设:如果一个粒子天生是没有质量的,但一旦它诞生在这个世界上,它就有了质量。这个质量是后天的,是外在加给它的,这样就不会打破对称性,这就是希格斯机制。

希格斯机制最早的灵感来源并不是粒子,而是凝固态,就是凝固态中的超导作用。

先解释下什么是超导。

电流就是电子的定向运动,电子在导体上运动时,会和导体中的原子发生激烈的碰撞,导致电子的动能丧失,无法继续流起来。

阻碍电子往前流的阻力就是电阻,所以电阻本质上就是摩擦力。

电子要流起来就必须有电压,电压推着电子克服电阻向前运动。

摩擦的本质是物体将自己身上的动能给出去了,就是说我能将身上的动能给出去,我就能摩擦。

反过来说,如果我身上的动能给不出去,就没有摩擦。

超导的原理就是让电子的动能给不出去,这样就没有摩擦了,电阻为0,电流不需要电压,就能流动起来。即物质处于“玻色-爱因斯坦凝聚态”。

什么是“玻色-爱因斯坦凝聚态”?

你先要理解一下能级。

量子力学告诉我们能量系统不是连续的,是量子化。假设定义一个能量为1焦耳,那比它高一点的是2焦耳。不存在1.1焦耳,或1.5焦耳的能量。

即能级间的间隔不能无限小,间隔是有个固定的最小值的。通俗点说:能量系统不是斜坡,而是台阶,一阶一阶的。

如果温度足够低,低到粒子的能量都无法去跨越低能级和比它高一能级间的能量差时,相当于所有的粒子都被困在了最低能级里,就叫凝聚。

那为何叫玻色-爱因斯坦凝聚呢?因为凝聚的都是玻色子。

玻色一位印度物理学家,粒子根据自旋分为费米子和玻色子两大类,玻色子就是以他命名。

费米子的自旋是半整数,构成了物质世界。玻色子的自旋是整数,用来传递力。

量子力学大佬,奥地利物理学家泡利,提出了泡利不相容原理:费米子不能以同样的量子状态存在与同一个量子系统中。

通俗点说就是:费米子都是独居动物,如果一个能级里存在一个费米子,就不能存在第二个与它自旋相同的费米子。但玻色子是群居动物,所有玻色子都可以占据同一个能量级。

因此,虽然粒子都都趋向从高能级往低能级流动,但因为泡利不相容原理,所以不会出现所有费米子都挤在同一个低能量级中的现象。

玻色-爱因斯坦凝聚就是说:当温度极低的时候,所有的玻色子都挤在了一个最低的能级中。由于低能级和比它高一级的能级间有个gap,导致粒子的动能给不出去。

打个比方,公园门票是10元,你身上只有5元(处于5元的能级中),你这5元就给不出去,哪怕你问别人借到9元(获得动能),也还是给不出去,只能继续在公园外徘徊。

处于玻色-爱因斯坦凝聚时,运动着的粒子没有办法通过降低自己的动能,把整个系统激发到一个更加高的能量状态。没有电阻,电流可以无障碍地通过导体,就超导了。

当然实际没这么简单,因为只有玻色子才能发生玻色爱因斯坦凝聚,但带电的粒子多是费米子。

需要超导的BCS理论。

三位美国物理学家巴丁(1908-1991),库珀(1930-至今),施里弗(1931-至今)的名字首字母命名了超导的“BCS理论”。

巴丁也是史上唯一一位获得两次诺贝尔物理学奖的人:

在低温情况下,两个电子会抱团成为一个电子对,就是库珀对(cooper pair)。单个电子自旋是1/2,是费米子,但两个抱团自旋为1,就成了玻色子。

库珀对不会受到阻力,因为假如其中一个电子受到阻力,和它组队的另一个电子会给它一个大小相同,方向相反的力来抵消,整体看就像没有受到阻力一样。

库珀对形成了玻色-爱因斯坦凝聚,形成了超导。

“BCS理论”还解释是什么场给了光子质量。

电流的损耗不仅仅是因为电子和其他粒子发生碰撞,还有个原因:电子的振动会形成电磁场,电磁场会通过辐射光子释放能量,这也是造成能量损耗的原因之一。

超导中通过碰撞造成的损耗可以由库珀对来避免,但通过辐射光子来消耗能量的现象怎么也消失了?因为库珀对形成的玻色子场能够给予光子质量。

这最早是1950年朗道和金兹堡提出的,认为在超导体中存在一种场,可以给光子赋予质量。BCS理论给出了进一步的解释。

通常能量都是趋于从高能往低能发展。

你为什么懒?因为你不动时,你的能量是E=mc^2。动起来时,你的总能量就要加上动能,即总能量变高了。

这违法了自然界的法则,所以懒是正常的,勤奋是不正常的,现在的勤奋也是为了以后的懒,人总是懒的。

电磁场能辐射光子,是因为光子质量为0,那能量多低啊,反正不要钱,随便辐射。

一旦光子有了质量,就成了相对的高能态。电子通过震荡辐射光子就要付出代价,即电子需要震荡的更加剧烈。那谁愿意干,所以干脆就不辐射光子了。

这就是超导为何能达到0电阻的原因。

巴丁,库珀,施里弗因为“BCS理论”获得了1972年的诺贝尔物理学奖。

总结:

在极低的温度下,一对电子(费米子)组合成了库珀对(玻色子),被困在了最低的能级里,无法跨越能级间的gap,跃迁到高一级的能级里,形成了玻色-爱因斯坦凝聚态。另外库珀对形成了库珀场,给予了光子质量,所以不辐射光子。

既无法通过摩擦来损耗能量,也无法通过辐射光子来损耗能量,达到0电阻,形成了超导体。

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