96 无摩擦的流体和无电阻的导体：超流与超导

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、没有摩擦的液体。普通液体，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。有摩擦的液体之所以有摩擦，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。

理解了超流体，超导也就不难了。那是不是可以理解为把电子当成胡椒面撒在超流体上，电子就跟随超流流动了，然后就超导了？听着不错，但事情没有那么简单。

基本粒子可以分为玻色子和费米子，这两种粒子有个最大的区别，就是同一能量状态，能容纳几个粒子。玻色子是这样的粒子：可以有无限个玻色子处在同一个能量状态。费米子比较特殊，一个系统里的能量态中，只能有一个费米子，来第二个就不行，这就是著名的泡利不相容原理。当然，一个能量状态中如果已经有一个费米子了，玻色子还是可以进来的。世界上所有量子粒子都可以分为这两种。譬如，光子是玻色子，胶子是玻色子，电子是费米子，质子是费米子，中子是费米子，等等。

回到上面说到的，是不是直接把电子当成胡椒面撒在超流上就超导了？并非如此，电子是费米子，所以电子无法通过降温变成玻色-爱因斯坦凝聚，从而获得超流的性质。为了获得超导，我们先要让带电粒子变成玻色子，才能发生玻色-爱因斯坦凝聚，变成带电的超流，这样才能超导。

最开始解决这个问题的是三个美国物理学家巴丁（Bardeen）、库珀（Cooper）、施莱弗（Schreiffer）。他们三个人发明的理论叫BCS理论，1972年获得了诺贝尔物理学奖。这个理论说的是，两个电子通过与原子的作用交换声子，结合在一起形成一个电子对，这个电子对叫“库珀对”（Cooper pair），就是BCS里那个C发明的。

什么是声子？其实就是原子，或者晶格的机械振动，这个振动也是量子化的，所以叫声子。粒子间的相互作用力表现为粒子的交换，两个电子交换声子就好像受到了彼此的吸引一样，绑在了一起。两个电子绑在一起有两个单位电荷，这个电子对作为一个整体变成了玻色子。既然库珀对是玻色子，降温就能发生玻色-爱因斯坦凝聚，就可以超流了，带电的超流就形成了超导体。

超导离商用还有一段距离，因为超导的工作温度太低，通常至少要零下100多摄氏度。要在长距离输电线周围长期保持如此低温，不仅成本高，工程难度也非常大。但是超导的工作温度在不断被升高，相信有一天超导线路会是我们生活中的标配。