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发信人: chiba (流浪在外的人), 信区: Physics
标  题: 2003年诺贝尔物理奖：历史的回声
发信站: 哈工大紫丁香 (Sat Dec 13 18:15:26 2003), 站内信件


2003年诺贝尔物理奖：历史的回声

　　元江

　　2003年的诺贝尔物理奖颁给了三个理论物理学家。莱格特(A.J.Leggett)获
奖是因为他于1975年建立了解释3He超流现象的理论。京茨伯(V.L.Ginzburg)和
阿布利科索夫(A.A.Abrikosov)的获奖则是因为半个世纪前，他俩先后在形成描
述超导现象的理论过程中做出了里程碑式的贡献。

　　超导和超流都是在绝对零度(0K=-273.15 °C)附近几十K范围内的物理现象
(近年来发现的高温超导将这个范围提升到100K左右)。超导主要指某些材料在低
温下能让电子完全自由地流动，从而形成无电阻的电流。而超流是指液氦在低温
下会作完全无粘滞的流动。如 果把液氦放在一个敞口的容器中，液氦会顺着器
璧自动爬升并溢出容器外。

　　超导和超流构成了低温物理的两大支柱，这两种奇异现象的发现都要归功于
荷兰的科学家，库姆林．昂尼斯(H.K.Onnes)。上世纪初，以相对论和量子论为
标志的近代物理还在孕育之中，一些科学家根据物质有气、液、固三种状态的存
在，努力将各种气体通过降低温度来液化乃至固化。1908年，昂尼斯以其独有的
低温技术将氦气液化成功，氦的液化温度是4K。天然的氦气其原子核含有两个质
子，两个中子，核外有两个电子，记为4He。氦的同位素，3He，比4He要少一个
中子。4He的超流性质要在2.2K温度处才显示出来，而3He则要到2.7mK温度处才
呈现超流性质。莱格特理论要解释的就是3He的超流性质。

　　昂尼斯液化氦气成功后，将各种金属浸在液氦里测量其电阻，他的助手在测
量浸在液氦中的水银时，发现水银完全无电阻。这个发现宣告了超导的诞生
(1911年)，昂尼斯为此获得1913年的诺贝尔奖。

　　超导，超流的发现均依赖于液氦的获得，昂尼斯可称得上低温物理之父。昂
尼斯或许还有一项“成就”值得一提，那就是在1901年，他没有雇用来信求职的
爱因斯坦做实验室助手，否则，爱因斯坦可能成为一个低温物理学家，而人类可
能到现在都还没有相对论。

　　与超导从发现，确认到颁奖的迅速过程相比，超流现象从初露端倪到确认如
同一个极度难产的婴儿，要历经长长的近三十年。1910年，昂尼斯他们在2.2K温
度处发现了液氦密度有异常，但他们放过了这个异常，随后就全力投入到新发现
的超导现象的研究中。直到1922年，昂尼斯他们才从超导的研究中转回来重新研
究这个异常。在这段时期里，由于超导现象可能带来的巨大经济利益，氦的液化
技术是昂尼斯独家掌握，秘不外传的。1923年，加拿大多伦多大学的麦克利南爵
士(Sir J.McLennan)得以复制昂尼斯的氦液化器，从此加拿大亦进入低温物理研
究领域。1934年，在英国主持蒙德实验室的苏联科学家卡皮查(P.Kapitsa)，自
行设计并制造了独特的氦液化器，长达二十多年的氦液化技术的垄断逐得以打破。

　　卡皮查于1935年回苏联探访时为斯大林所扣留，要他参加苏联的建设，此后
卡皮查一直在苏联工作。在确信卡皮查不能再回到英国后，剑桥大学同意让苏联
购买蒙德实验室的全套设备回苏联，除了那台卡皮查设计制造的氦液化器。卡皮
查很快就在莫斯科建立了低温实验室并重新造了一台氦液化器，开始了他的研究
工作。1938年自然杂志的一月刊，登载了卡皮查确认4He超流性质的文章，同期
杂志亦登载了多伦多大学爱伦(J.Allen)与麦斯内(D.Misener)的超流文章。至此，
4He在2.2K温度以下的超流状态得以确认，卡皮查于1978年获诺贝尔奖。

　　3He的超流性质要在2.7mK处才显示出来，这对低温技术要求极高。1972年，
美国康乃尔大学的三位物理学家从实验上确认了3He的超流性质。1996年，他们
三人，理查逊(R.Richardson)，李(D.Lee)和奥谢罗夫(D.Osheroff)获诺贝尔奖。

　　3He虽然是4He的同位素，但3He原子作集体运动时的统计性质全然不同于4He，
解释4He超流性质的理论不能用于解释3He。莱格特于1975年建立了成功地描述
3He超流性质的理论，这个工作使莱格特获得今年的诺贝尔奖。

　　自1935年起回苏联工作的卡皮查是个优秀的实验物理学家，在苏联有着很大
的影响力。卡皮查又聘到了极其优秀的理论物理学家，朗道(L.D.Landau)，来负
责理论部的科研，他俩的合作有力地推动着苏联的物理学发展。当朗道于1938年
由于严重的政治问题被捕时，卡皮查冒着极大的风险上书，请求斯大林留下朗道
为国效力。朗道于1940年被释放后，一直在卡皮查的监护下工作，卡皮查是朗道
政治行为的担保人。这种监护虽不公开，但朗道从此再也不能出国与同行交流。

　　朗道是一个全面的，杰出的理论物理学家，与他名字有关的物理学理论和概
念在近代物理中随处可见。然而，朗道也有失误的时候。今年的两位因超导而得
诺贝尔奖的科学家，都与朗道有历史的渊源和纠葛。

　　京茨伯一生只与朗道合作过一篇文章(1950)，这篇文章建立了京茨伯-朗道
理论(GL方程)，也就是今年京茨伯得诺贝尔奖的工作。在这个理论中有两个参数，
由这两个参数引出了朗道与京茨伯及朗道与他的学生，阿布利科索夫，的故事。

　　在GL理论中有一个电荷参数，在GL理论提出的当时并不能确切知道这个参数
值是多少。京茨伯要把这个参数称为“有效电荷”，亦即讲得含糊一点，要留有
余地，但朗道不同意，朗道在文章中写道“没有理由来相信这个参数值会不同于
电子电荷”。京茨伯在其后来的研究工作中觉得这个电荷参数应该是2到3倍的电
子电荷，于是京茨伯单独写了一篇文章，将此看法于1956年发表。在这篇文章中，
京茨伯也写了朗道对这个观点的不同看法。1957年，由美国的巴丁，库柏和许利
佛(BCS)提出的超导微观理论表明，超导中的电荷是配对运动的，所以这个参数
值的确应该是两倍的电子电荷，而这种电子配对的图像，也有实验证据的支持。
京茨伯本人在多年以后都一直为自己没有能想到电子配对的图像而懊恼不已。

　　GL理论中另一个参数叫京茨伯-朗道参数，用希腊字母κ表示。根据这个κ
取值的不同，GL方程的解可以分为两类，以κ大于或小于根号二分之一标志。京
茨伯和朗道舍弃了κ大于根号二分之一的那个解，认为它所描绘的超导状态在物
理上是不稳定的，只考虑κ小于根号二分之一的那个解。朗道的学生，阿布利科
索夫在与其后(52-53年间)新得到的实验数据核对后发现，对有些超导体，以小
κ为依据的理论结果与实验不符合，而用被京茨伯和朗道舍弃了的解则能与实验
结果吻合。阿布利科索夫的进一步分析表明，如果结合磁通量子化，那么κ大于
根号二分之一的那个解的物理不稳定性实际上不存在。阿布利科索夫的结论是，
对应κ大于根号二分之一的情况，超导体内会出现一个磁涡旋点阵，使超导区域
和磁区域在一块超导体内共存。这种会出现磁涡旋点阵的超导体被称为第II类超
导体。

　　阿布利科索夫把这个想法告诉了朗道，但朗道的反应很冷淡，结果阿布利科
索夫把这个研究工作放进了抽屉。朗道是当时世界上站在巅峰的几个物理学家之
一，做朗道的学生，固然能有更多机会进入前沿研究领域，但是当学生与朗道在
学术上有不同见解时，通常很难有勇气和信心坚持自己的意见。阿布利科索夫这
个关于第二类超导体的杰出工作，直到1957年才有勇气单独发表。

　　1962年，朗道得了诺贝尔奖，得奖的原因记为“为了他在凝聚态中所做的开
创性工作，特别是关于超流”。这个介绍含蓄地记下了朗道在超导理论上的失误。
其实朗道在超导上的贡献也是巨大的，而这些失误原本不是不可以避免的，如果
朗道能平等地听取京茨伯和阿布利科索夫的意见。

　　阿布利科索夫的文章也有一点麻烦，整个工作的思路和解决的办法都是对的，
但在数字的计算上有一点小错误。阿布利科索根据他的计算，预言了一种可以观
察到的四方磁涡旋点阵，而实际上应该是三角磁涡旋点阵。这个错误对阿布利科
索夫的声誉很有影响，在很多的超导专著中，凡介绍到阿布利科索夫的重要工作
时，也必定明确指出这个计算错误。阿布利科索夫在他的研究工作中所预言的磁
涡旋点阵一直到1966年才由实验物理学家拍出照片证实。文章千古事，得失寸心
知。这三位苏联科学家在超导文章上的故事给后人不少启迪。

　　由朗道、京茨伯和阿布利科索夫建立的超导理论框架代表着一种风格，这种
风格与美国科学家建立的BCS超导微观理论(1972年得诺贝尔奖)风格回然相异。
BCS理论注重的是解释为什么材料会有超导性质；而苏联科学家的理论注重的是
描述有超导状态的材料其性质会怎样表现。通常一种有实际用途的材料，它的应
用性不但取诀于材料本身的物理性质，也会取诀于材料的形状和几何结构。BCS
理论对几何形状带来的影响无法处理，而GL理论则能兼顾，因此GL理论更接近实
用。

　　造成这两种理论在风格上差异的原因也许可以回溯到美苏冷战时期的国际环
境。五十年代初，正是美国麦卡锡主义猖獗的时期，美国不允许苏联的科学工作
在美国发表，并且把已有的苏联英文期刊JETP丢进了水里(港口)，京茨伯-朗道
理论(发表在1950年的JETP)也是其中之一。科学交流的中断阻止了科学知识的融
合，铁幕两边的科学家各自独立发展着理论。1959年，苏联科学家戈尔科夫
(L.P.Gor'kov)证明，如果作适当的数学处理，可以从BCS理论推导出京茨伯-朗
道理论。这个工作为京茨伯-朗道理论奠定了微观基础。今天，我们通常把由这
四位苏联科学家创立的这套程式，叫做GLAG理论。GLAG理论的应用范围相当广，
在后来的科学家们努力之下GLAG理论又有了长足的进展。

　　岁月在流逝。朗道于1962年出车祸，1968年去世。京茨伯87岁了，现在仍然
在俄国。阿布利科索夫75岁，自原苏联解体后移民美国，现在美国阿岗国家实验
室做研究。戈尔科夫也在美国的佛罗里达大学做教授。相信这次的诺贝尔奖会给
京茨伯和阿布利科索夫两位老人带来晚年心境的平和安宁。

　　百年超导之路，半个世纪的理论探索，走进图书馆，翻开一本本讲述超导的
专著，GLAG理论和由此理论得出的结果一如往常出现在读者的眼前，静静地传达
着自然的美妙和奥秘。

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※ 来源:．哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn [FROM: 211.7.155.101]