超导材料:在室温环境下实现超导到底行得通吗?
人类技术闹过几次革命。第一次:蒸汽机,那个年代就一台机器也能闹革命。第二次:电气技术,算是一个全新的领域。第三次:有计算机、航天技术、生物技术、纳米技术等等等等
为什么第三次技术革命会闹得这么没有章法?因为任何单一枝干都很难让枝繁叶茂的科技树主干动摇分毫,无奈大家就只能组团闹革命了。所以第三次工业革命没有明显的标志,甚至没有明确定义。没办法,组团闹革命,革命功绩不好分啊!
那么接下来的革命路线该怎么走呢?第四次工业革命,是继续组团模式,把什么人工智能、3D打印、新能源,这些都放一锅,来个东北大乱炖?还是会出现一位孤胆英雄,单凭一项战略级技术,撼动整棵科技大树呢?
吃瓜群众自然是喜欢超级英雄的,虽然眼下还没什么指望,但咱们合计一下,目前台面上的技术,有哪些将来有可能担此重任呢?想想,好像除了大名鼎鼎的可控核聚变,还有一位百年如一日奔波在革命道路上的老前辈。
它就是超导,最早被认为可能引发工业革命的技术。
不过呢,这个命,革到了今天,依然尚需努力。其中最接近革命成功的时刻是1986年和1987年,有俩哥们发现了氧化物陶瓷也能超导,临界温度蹭蹭往上涨,业界那是一下炸了锅!
仅仅在第二年,就火急火燎地迎来一个诺贝尔奖,创下了获奖时间距成果发表时间最短的纪录(引力波得奖也是这个速度,而咱们屠呦呦的青蒿素足足等了43年,实际上,大多数诺贝尔奖都会等上个几十年)。
在当时,中国从事超导的人数从几百人暴增到几万人,全世界呈现出一种跑步进入共产主义的夸张氛围。仅仅1987年上半年,人民日报报道超导达到数十次,而且标题一次比一次惊人:比如,发现迄今世界转变温度最高超导体,超导材料研究突破性进展意义重大,我国超导材料研究获重大进展,我国超导材料研究继续居世界前列,超导材料正在进入应用阶段等等……
说实在的,改革开放之后,咱们的人民日报还是很严谨的媒体的,在技术方面轻易不吹牛,而超导却在半年之内刷版无数,头版头条不在话下!试问,还有后来者吗!
不光中国,连全世界都以为超导革命成功在望,一片欣欣向荣……
在这里呢,我要纠正个容易混淆的概念,这里说的是技术革命,不是科学革命。呃,准确点来说就是工业技术,它不包括管理技术、画画技术、演唱技术这些……我们用英文来讲可能会更明了:分别是technology和science,而科学革命则是以量子力学相对论为代表。
好,我们的问题来了,超导,凭什么能成为革命的种子?
这事啊,还得从电说起。
电,妙不可言!
当年法拉第发现电磁感应现象(这是科学),进而折腾出发电机(这是技术),当时呢,他还被人嘲笑,说这种只会在导体里流动的东西有什么用?哈哈,如今任何人都知道,电是现代科技最重要的载体,所以能革了电的命,也就等于革了现代科技的命。
因此,我们先来明确一下超导的革命方向。对于金属导体来说,电流的本质是电子的移动,温度的本质是原子的振动。请记牢这两点。自然而然的,电子在导体中移动时会与振动的原子不停地发生碰撞,跌跌撞撞那就很影响电子移动的速度,这就是电阻。原子被电子撞啊撞啊,振动就会越来越快,在宏观上就表现为温度上升,这个就是导体通电会发热的原理。而原子振动加快,与电子的碰撞就更多,所以导体温度越高,通常电阻越大。这些都是中学课本上的内容。
好,思路来了,如果原子不振动的话,电子在移动时岂不就没阻力了?
沿着这个思路往下走。固体的温度的本质是原子的振动速度,如果原子不动,也就没有了温度的概念,这就是:绝对零度,换句话说,也就是零下273.15℃,这是温度的起点,注意,不存在-300℃的东西。这些呢,都是中学课本的内容。但是想让原子完全不动,几乎不可能,达到零开尔文的难度和达到光速的难度其实是一样的。
这是当前的物理理论不可逾越的高低两条边界。我们理清了电阻的本质和温度的本质,超导的革命方向就明确了,原子的振动减弱到什么程度,才能让电子无阻力地移动呢?换个等价的表述:温度要低到多少才能实现超导?这个转变温度叫临界温度。如果谁能在室温下实现超导,那么咱们的革命就算成功了。
顺便说一下,电阻为零并不会产生无限大的电流,一来,导体内的电子数量有限,二来,电子的移动速度同样不能超过光速,而电流大小取决于单位时间内通过的电子数量,因此,不存在无穷大的电流。
懂了概念,就让我们来憧憬一下超导革命的美好场景吧。
省电的意义
说起超导,几乎所有人马上就会想到咱们现在远距离输电所要损耗掉的15%的电能,但,如果折腾超导只是为了省这点电,那也太没追求了!
国际政治博弈中有两大重点,第一:能源,第二:能源的运输,谁把这俩惹祸精解决了,世界至少比现在和平90%。从技术角度讲,能源最终都可以采用电的形式,但考虑到成本问题,我们还在使用石油煤炭天然气这些化石能源。因为,电的远距离传输很麻烦,它不但技术复杂,而且距离一旦超过几千公里,传输也相当吃力。所以发电区域和用电区域的距离有一定限制,你不可能在北极建一个发电厂供全球使用。再加上历史政治经济这些七七八八的因素,全球的主要能源还是石油,所以,为了争夺石油,中东估计还能热闹一阵子,说个题外话,你炒菜的时候也不要放太多油,搞不好美军都想来攻打这盘菜了。
好,咱们回到正题上来,假设,我们有了一套全球性的超导输电网,无论在地球上什么地方发电,只要接入到电网中,就能把电传输到其他任何地方,你能想象这件事对国际格局的影响吗?