三年前，超导陶瓷成为改变工业的新的奇怪材料，而今，高温超导体看来并非如此之超。

1986年，二位在瑞士苏黎克IBM的研究者，作出了一个似乎是重大的发现，用镧、锶、铜的氧化物制造出一种不平常的“陶瓷”。它们能在绝对零度以上30°无电阻地导电。换言之，陶瓷材料在30 K以上是超导的。这个温度听起来并不很高，但直到当时，物理学家所知道的超导性仅在24 K以下。事实上，许多物理学家认为，35 K以上，不可能存在超导性。这二位研究者贝诺兹（J. G. Bednort）和缪勒（K. A. Müller），是在一个众人期望会有重大发现的领域里从事工作，他们为了抢先成功，甚至遮人耳目，在贝诺兹和缪勒宣布了他们的成果之后，全世界的研究者很快地承认了这一发现，几个月后，得克萨斯和亚拉巴马大学的P. 楚及其合作者，发现了一种新的陶瓷，它们是镱、钡、铜的氧化物和过氧化物，甚至在93 K就成为超导体。但是只有当室温超导材料真的来到时，那才会真正激动人心，它将为物理学、化学、技术开拓一个黄金时代。

在这上述发现广为人知之前，12月在纽约召开的美国物理学会年会已闭幕，故其议程并无高温超导之事，但年会组织者恳切地安排了一个特别晚会，以供人们自由选题发表，有4000人参加。会议从晚上7点开始一直延续到翌日早晨6点。纽约时报第一版的报导，称之“物理学家的木头毛还”。该报预言，自晶体管发明以来，高温超导体是最大的发现。权威的评论者认为，超导材料离开电能播送、传递和能量储存、电子器件上的应用，还远着呢。

高温超导的经济性将使社会发生变化，为何呢？虽然低温超导体早已吊于科学的特殊领域，它们需要用液氦冷却以保持其超导性。要把氦气冷却到其沸点（4 K）以下，是很昂贵的。新的超导氧化物仅需液氮冷却（其沸点在77 K），要保持其工作就廉价得多。请看一个比较：液氦每公升5美元，约为一公升廉价伏特加的价格，而液氮每公升为12美分，比一瓶饮用水还便宜。研究者希望不久能找到室温超导材料，这将改变我们使用能源的方法和加速交通。这种新技术如果出现，它将改变我们生活的很多方面。

但在过去三年中发生了些什么呢？这些新的超导材料是否满足了他们早先的愿望呢？抑或出于意外的大发现，蒙住了科学家、企业家、还有政治家的判断？

迄今最高的温度约达125 K，还远低于室温（300 K）。但在超导材料制成高 - 质样品上，倒是获得了真正的科学进步，因为了解到具有极端的困难。超导陶瓷黄金梦的障碍，可能一开始就见到了。就在这些材料用来改变我们生活的时刻，人们已在分析这个麻烦了。

对这些材料的任何应用，都逃不出利用超导体的三个特性。首先是它的电阻为零，我所说的零并非恰好十分小。例如在超导线路中感应出的电流，它将一直流通下去，不会有明显的衰减；第二种特性是超导性与磁场间的微妙关系；磁场要消除超导性。若对一超导体施加一个外磁场，它为保持其超导性而排斥磁场，此称曼生（Meissne）效应。若外磁场较强，超导体难以排斥它，最终当它以强到足够大的时刻，超导体无能为力了，即失去其超导性。60年代早期，一些人已发现，某种超导体在失效之前能抗住极大的磁场。若有一超导体能处在高磁场中，即可用来产生一个高磁场。用超导体绕成一个线圈，并通以甚大电流，就能在线圈内部产生一个甚高磁场。

第三个特性是所谓“隧道”效应。若把两超导体挨得很近，那么会有一些超导电流泄漏出来，从这一流向那一超导体，此称“约瑟夫生效应”。这里并无电压跨接在所谓隧道（或约瑟夫生结）上，但和单个超导体不同，当电流通过隧道结时，电流和电压的关系对外在的微小影响非常敏感，例如甚小的磁场和电磁辐射。

超导体在应用中的难题

利用超导体的这些特性，技术专家已作出许多令人兴奋的应用，但他们并不总是看到它们的缺点，首先，基于超导性的技术有其自身的问题；第二，有时很难看出，新型的超导体比原有的好在哪里？

现在我们不妨考虑第一个特性——无阻电流。使_我们首先想到的应用是电力输送。若我们用超导体建立起全国性的电力网，由于无电阻，故网路中无损耗。在美国的电力网路系统中，电阻的损失约为发电量的10%，换言之，若把现有的网路代之以超导材料，那么仅将节省10%的发电量，虽这是不能完全忽视的，但问题是现有的系统已十分有效。

—个超导电力系统，可能是在直流电而不是通常的交流电上工作的，这是因为电流在超导体中只有在它作单向流通时，才真是“无损耗”的，而变换方向的电流则不然。在技术上能做到直流电网路，但交流电更方便些，它易于升高电压以作长距离传输，而在另一端降低电压，以供安全家用。

另一点是冷冻，高温超导体的优点是它们与老式的相比，仅需较少的冷冻。60年代，工程师曾作了广泛的研究，以分析超导电力传输系统的可能性，当时还在高温超导体发现很久之前，故系统须由液氦冷却。研究的成果之一，是冷却费用仅为系统费用的一个可忽略的部分，并不需要每天对系统冷却，一旦冷却下来，它将一直冷却下去，为了抵消微小热量渗入隔离得很好的系统，你仅需从冷冻器抽出一点相当于系统中透射出的能量，所以从使用高温超导体中所节错的冷冻堡，仅代表了早被忽略的费用的一个小部分。

另一问题是线路中通以甚大电流而不致破坏超导性。事实上，应能在每cm²的截面积中通过100万安培的电流，这是老式材料能做到的，遗憾的是，新型超导材料的性能并非如此完美，它们可能通过（上述）1/1000的电流，而不失其超导性。最后，超导传输系统具有固有的不稳定性。由于一个偶然的事故（如波雷击），超导系统的某一部分会突然变成导体，须再冷却下来，才又转为超导体。而在一开始有电阻时，使得这段材料变得甚热，有如一个电热头，它将使得后一部分也发热，从而变成通常的导体，它又变得异常地热，再加热于它的后一部分，如此下去，其结果是熔毁国家的电力网。这是大多工程师感到的一个难题。

我们企图利用的第二个特性，是它能形成高磁场。地球磁场约为0.5高斯，电磁铁芯的饱和磁场为20000高斯，20年前，这是在实验室中能获得的最强磁场。60年代发现了些高场超导体，能创造出10万高斯的磁场。今天，你可步入你的相邻的超导体店铺，从货架上买下这样的一个。

新型超导体也是高场型的，再者，因为超导电磁铁产生的场直接与温度有关，新型材料在理论上能产生甚至更大的磁场，但迄今无人知道，究有多大，可能是50万或甚是100万高斯。我们要如此高的场干什么用？使我最易想到的是磁悬浮列车。架着列车的铁轨是一般的材料。但每节车架里面装着高功率的超导磁铁，这些磁铁一个一个地通电后，使得铁轨感到磁铁是沿着铁轨向后奔跑，而铁轨不愿如此干，它抵制磁铁的运动，而给列车以向前的冲力；铁轨同时还排斥运动着的列车，故整个列车悬起于铁轨有几个cm之高，以500 km/h的速度向前射出。

这个概念不存在技术上的问题，许多年前，日本人已作了几公里的试车，但要投入制造还有许多问题，主要是昂贵。铁轨须笔直，且保养要好。当车速在50 km/h时，有几cm离开铁轨，你不会有任何颠簸或急转弯之感，而为此的投资却十分巨大，在任何情况中，我们早已有了从一地至另一地的快速方法，如飞机。高速磁悬列车在经济上似乎收益很小；也有关于具有10万高斯的公用运输手段。虽然没有一点点有关高磁场损害健康的证据，但也没有说明无害的证据。

利用超导性以产生高磁场的另一用途是储能。美国国防核子局早已在计划一项有关超导磁能储藏的工程SMES。这一工程研究了能在100秒的时间内释放4 ~ 10亿W的能量，或者，在2 ~ 3小时内，释放1000 ~ 2500万W。另一工程是均衡电力网在日夜间对电能峰谷的需求。在夜间，人们用电较少，则可储藏之，当白天需求增加时，则可释放之。初步计算表明，若用老式超导体建立一个储能装置，其储能磁场是10万高斯，需要一个2500 m³的高磁场容积，按原理须造成一个面包圈形的超导线圈，直径达1 km，并埋于地下。

这是用普通超导材料建造的计划，若用新型的高温材料，将有何优点？在冷冻费用上它将有些小节省，但这不是主要的。我们不是可以利用造成强磁场这一事实吗？最终表明，在给定的容积中所储藏的能量，正比于磁场的平方，若有一个10倍强度的磁场，则可储100倍的能量于同一容积中，或者反过来，储同样的能量于1/100的容积中。

有一个明显的优点但也伴有严重的问题。若有一个产生磁场的通电线圈，该场将施加一个力于线圈上，就像受到一个很大的压力，称磁压（类似于每单位容积中所储的能量），正比于场平方，若磁场增强10倍，磁压即增大100倍。在10万高斯的情况下，系统中的磁压将达400个大气压，工程师能处理这般的压力，它大致上相当于超临界蒸汽锅炉中的压力。若我们再增大10倍压力，那就相当于大炮开火时炮筒中的压力，只有用筒内部（而不是外部）加压的特种预应力钢制成的炮筒，才能短时地承受这种压力。爆炸正好均衡了应力，而炮筒不致爆破。若增压100倍，那是在谈论一种从未有容器能承受住的压力。若问工程师能否做到这点，他们会不情愿地说，这极不可能，他们将承认，这是永远也办不到的，而且无疑地，也不会用上陶瓷。

另一跟磁场有关的问题，是一种在你企图断开电路（具有电磁铁）中的开关时发生的现象，电磁铁不愿很快地切断电流，故开关冒出火花，若此时电路中的磁场很大，则开关发出的火花强烈到足以汽化开关本身。SMES工程将造成从未有过的最大磁场，故必然会出现某些麻烦的开关问题。

隧道效应，最终可能是一个最实际的问题。例如轨道卫星，依靠老式超导隧道 - 结的探测器，来探测红外辐射，不论是为了天文理由而向上看的或为了军事目的而向下看的装置，这些结的导通态皆敏感于小磁场，因此可利用此来作开关。有不少大型电子公司，如IBM、AT&T和Sperry正在研究这些项目，以制成超导电脑。但这些项目在1983年都被取消了，其原由并非超导研究不够先进，而是使用半导体的装置，动作更快。超导性问题并非是一个冷冻问题，而是一个材料制造问题，如我早先述及，新型超导体的制造问题比老式的更严重。

但从长远看，超导电脑将赢得胜利，原因很简单。电脑中的主要花招是计算快速，这意味着它们必须要小，因信号通过任何距离总得花化时间。这就是说，你得尽可能紧凑地将电脑元件装在一起，但当大量半导体元件组合在一起时，将产生大量的热，故热量为电脑尺寸，从而也是运算速度提供了一个最终极限。而超导元件电路不受这一限止，因它们并不像半导体电路那样地散热。

即使某种超导性在将来确有应用前景，要说新的陶瓷材料是否比什么都珍贵呢？还为时尚早。纵然，高温超导体的发现具有许多重要影响，例如，刚发现后所出现的激情；新闻会议中宣布真实和想象的科学进步之不幸先例；它可能为冷核聚变铺平道路；更为持久和更有意义的是它唤醒人们，甚至在长期被关注的领域内，大自然还为我们准备着惊人的事物；它可能对在一个近乎被遗忘的科学堑壕里，默默地辛勒工作的许多人起着作用，因为贝诺兹和缪勒，可能是第一个满足了A. 诺贝尔要求的真正条件：他们于1987年因过去几年中的工作而获得诺贝尔奖。

[New Scientist，1989年7月15日]