五的特殊含义
颠覆人类生活!美国科学家发表最新成果,他们实现了常温超导现象,这是物理学界的重大突破。
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在发布这项成果的报告厅外,挤满了许多物理学家,甚至还有大量物理学研究者挤不进去,被保安疏散。
人类历史上的科学突破不在少数,近些年来我们也常常听到号称可以改变人类生活的新成果,但似乎没有一次这么受关注。常温超导到底是什么意思?它为何能颠覆人类的生活呢?
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电对于人类的社会和科技发展来说,是必不可缺的。如果没有电的应用,人类是不可能有今天的生活的。对于现代人来说,如果没有电,生活也会极其困难,几乎是寸步难行。
电的应用原理其实很简单,就是通过各种手段产生电压或者电流。电流是什么?其实就是电子的移动,在一个电路中,电子移动的相反方向被认定为电流的方向。物理学上通常用字母I表示电流,单位一般是A(安培)。
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说起来,电流和水流的原理是差不多的,这样的比喻也很便于大家理解。想要产生电流,首先要产生电势差。我国大部分河流为啥自西向东流入大海,其实就是地势差导致的,我国地形西高东低,水往低处流,就向东走了。
电流也是一样的,会从电势高的区域流向电势低的区域。电势和电压的物理学表示都是U,常用到的单位是V(伏特)。
河水的流速不是永远固定的,随着流经的地形而改变,在遇到大坝等阻碍时,就会降低流速,甚至可能完全停止。电流也是一样的,电路中有的地方阻碍可能大一些,有的地方阻碍小一些,这就是电阻,物理学上用R表示,单位通常是Ω(欧姆)。
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这种“阻碍”不仅仅影响“流速”,还会影响最终的结果。如果你用一道道大坝拦住河水,那么最终注入大海的水量肯定会大幅减小。电也是一样的,在经过电阻的时候,不仅会影响电流,还会导致电能的损失。
电阻的大小主要取决于材质,有些材料本身就很容易导电,这就是导体;还有一些材料导电极其困难,也就是绝缘体。
材质不是决定电阻的唯一因素,温度也可以影响。想一想,水流也是相同的道理,同样一条河,冬天和夏天的流速就是不一样的。随着温度的变化,相同材质的电阻也会发生变化。
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对于大部分材质来说,电阻随着温度变化的幅度都不会达到无限大或者无限小。但对于某些极特殊的材质来说,当温度突破临界值时,电阻竟然可以完全消失,这就是所谓的超导体。对应水流的比喻来说,这时河流就变成瀑布了,那威力可要比横向流动相同的距离要提升很多。
就像我们刚才说的,电阻的存在不仅会影响电流,还会消耗电能。不论是火力发电还是风力、核能等方式产生的电,在通过电线传输到千家万户的过程中,都会因为电线的电阻导致大量电能的损失,说白了就是导致经济损失。为了弥补损失,人类就要生产更多的电,这就会进一步加剧温室效应,引发全球气候危机。
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有数据表明,目前利用铜或者铝导线输电,大约有15%的电脑在输电线路上流失。仅仅是咱们中国,每年就要因此损失超过1000亿度电,相当于数十个发电厂产生的总电量!
超导体不仅能够用来省电,还能在许多高科技和科研领域发挥功效。比如磁悬浮列车,就需要利用强大的磁场使列车悬浮起来。想要足够强大的磁场,就需要足够强大的电场,超导体当然就是其中关键的环节。如果能够利用超导导线来绕制电磁体,那就可以大幅提升列车的性能、减少能耗、节约成本。
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另外,我国正在研发的最先进科技——人造太阳,也需要超导体的帮助。人造太阳的正式名称是可控核聚变,是未来人类最重要的能量来源,其核心装置就是超导托卡马克。利用超导线图制成的电磁铁可以产生强大的磁场,约束等离子体,从而实现可控核聚变。
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这么看来,超导体对人类的发展来说确实具有不可替代的意义。但我们说了,只有非常特殊的材质在特殊条件下,才能够把电阻降低到0。这里我们提到的特殊条件,就包括温度、压强等。
目前人类发现的超导体也已经有不少了,但它们有一个共同特点,那就是需要极低的温度,这种温度不仅远远低于地球的气温,甚至有的不足-100℃乃至低于-200℃!超导体固然重要,但为了实现超导效果而人为创造超低温条件,反而会损失更多的能源,得不偿失
多年以来,科学家们一直在寻找更加特殊的材料,实现室温超导。因此,这一次的发布会才如此引人关注。
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发布会的主角,是美国罗彻斯特大学的Ranga Dias团队。根据他们的介绍,只要提供大气压10000倍的压力(这对科学家来说并不是很难),他们发现的新材料就能够在21℃的温度下出现超导现象。相关研究成果于2022年8月投出,并在今年1月18日被权威国际科学期刊《自然》接收。
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可以说,这样的温度真的可以在大部分自然状态下实现超导,绝对称得上是室温超导。一旦这种技术得到应用,也将毫无疑问地改变人类的生活,促进科技发展。
那么,这几位科学家真的要获得诺贝尔奖了吗?
实际上还真不是这么回事,因为这次研究的成果到底靠不靠得住,目前还说不准。早在2020年的时候,Dias 就发表过类似的成果,提出由氢-硫-碳三种元素组成的新材料可以实现室温超导(15℃,267GPa),当时的成果也发表在《自然》期刊上。
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结果,很多团队按照他的说法进行了实验,都没有达到超导的水平。最后许多物理学家提出:这篇论文的数据有问题,甚至可能是造假的!不仅如此,还有人扒出了他在博士后期间发表的论文,也存在着一定的争议。
因此,这么多年来,Dias在物理学界的名声可不怎么样。既然如此,这一次他声称的常温超导,究竟是不是真的,咱也没有把握。
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即便如此,还是有这么多物理学家来听他的这次报告,可见常温超导对于人类发展来说确实至关重要。我们当然希望这一次的成果不是假的,如果是假的,也希望早日有科学家真的实现这项技术吧。
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