德国开元华人社区开元周游

标题: 2003年诺贝尔物理学奖 [打印本页]

作者: quantum 时间: 8.10.2003 08:20
Alexei A. Abrikosov 和 Vitaly L. Ginzburg 获得今年诺贝尔物理学奖. 另外一位或奖者为Anthony J. Leggett, 他同时获得今年的沃尔夫物理学奖.

作者: quantum 时间: 8.10.2003 08:22
不过L. P. Gorkov没有获奖觉得很遗憾. 一直觉得 Landau - Ginzburg 的理论以及Abrikosov, Gorkov 等人的科学贡献长时间没有得到相应的承认.

作者: quantum 时间: 8.10.2003 08:24
Alexei A. Abrikosov 是 Landau 的学生, 而Vitaly L. Ginzburg 是塔拇的学生(塔拇: Igor Yevgenyevich Tamm, 1958年诺贝尔物理学奖获得者). Ginzburg和Landau只合写过一篇论文. 就是那篇关于Ginzburg – Landau 理论的论文. 而朗道本人一生发表的论文(Journal paper) (包括和学生合写的)没有超过100篇. 我们经常说我们的教育体系沿袭了前苏联的旧体制. 要改革, 要向国际水平迈进(不知这里的国际指得是谁?). 但是大家看一下国内教育界目前的状况真让人失望. 我们是不是应该问问自己: 我们过去倒底学没学到人家前苏联的优秀传统? 俄罗斯和日本都是通过学习和借鉴德国的科学教育体系发展起来的. 他们可以学得有摸有样而且和自己的民族文化有机地结合起来而形成自己的体系.

作者: quantum 时间: 8.10.2003 08:26
为什么Abriksov和Ginzburg直到今年才获得诺贝尔奖? 为什么Abriksov和Ginzburg直到今年才获得诺贝尔奖? 而作为他们的同事Landau在1962年就因为液氦超流的理论 已经获得诺贝尔物理学奖,为什么他们三个人不同时拿这个 诺贝尔奖? 这里有一段故事: 早在1937年左右，Landau从他创立的二级相变的理论着手 对超导现象提出了一个唯象理论。朗道的超导理论到1950 年推广成了Ginzburg-Landau理论，这个理论的具体形式 大概每本超导理论的书上都有。此理论的要点是把“序参 量”改进成了一个“波函数”，而这个波函数就满足所谓 的Ginzburg-Landau方程。 到了1957年，Landau的学生，Abriksov却用这个理论得到了 一个堪称超导理论和材料史上的经典结果，这个结果就是一 个Ginzburg-Landau方程的解析解。这个解表明，可以有一 种超导状态存在，这种超导状态在外加磁场下，不是呈现迈 斯纳效应，而是让磁力线以集束形式穿过自身同时又保持超 导状态。这种状态称为涡旋态，而这种集束磁力线分布的空 间图形称为涡旋点阵(Vortex Lattice)。 Abriksov解的发表带出了一桩师生关系的公案。Abriksov是 Landau的学生，用的又是Landau的方程，然而，当Abriksov 发表他的文章时，Landau没有署名。要知道，从1937年朗道提 出的超导理论起到1957年，二十年内，Landau提出的Ginzburg-Landau方程 唯一结出的硕果就是Abriksov解。而在这关键时刻，居然有师 生的不和，为什么呢? 长久以来，Landau的恃才傲物是有名的。关于Landau和Abriksov 之间的这段公案是大家都关心的(如同我们想知道李杨之间的关系 一样)。 Abriksov说当他发现了这个解时，他去看正在医院里的Landau， Abriksov兴奋地谈起了这个解，谈了很长一段时间，但Landau保 持着沉默。因为Abriksov当年从Ginzburg-Landau方程入手，起手 第一式就是把方程里不好处理的非线性项丢掉。所以Landau认为 Abriksov解是不可以相信的。 之后Abriksov一直处在Landau的压力之下，郁郁寡欢。Landau于 1962年得到了诺贝尔奖，原因是因为他在液氦超流理论方面的贡献， 而他在超导理论方面的贡献，即所谓的Ginzburg-Landau方程却在 诺贝尔奖颁奖词中只字未提。 之后Abriksov在Landau的阴影之下1987年才成为原苏联科学院院 士，原苏联解体后，有一大批科学家给罗致到美国来，Abriksov到 了阿岗实验室。在九十年代初的一期“今日物理(Physics Today)” 上，Abriksov写了一篇文章，讲到了这件事。 如果Landau不那么固执的话，也许Landau，Ginzburg，和Abriksov 三人合得一个诺贝尔奖也是可以的，但是历史不允许假设。

作者: quantum 时间: 10.10.2003 09:28
走过超导之路(1)---缘起 元江 把自己在研究超导时得到的一点知识和成果在互联网上介绍出来，有这个想法很 久了，可总是在时间和心绪上排不过来。其中也有叙述文体选取上的犹豫和畏惧打 字的艰难。 然而近年来，发觉自己记忆力在衰退，获取新知识的能力也在减弱。“血水里泡 三遍，硷水里煮三遍”，我一生已转行多次，脑子里的记忆体也早被格式化了三 遍，现在只有一些自己经验过的知识还能依赖，纯靠读书得来的知识不够鲁棒， 已经不能运用自如了。 前两天在网友烁泥的激励下，决定要写几个帖子介绍超导，请朋友去NYU借

arks主编的上下两册超导电性，没想到诺大一个NYU，只有一套，还只有第二册 在架。半本就半本吧，赵普靠半部论语治天下，我就靠这半部写超导系列帖子。 如果不是因为自己在超导上投入过十来年精力并有一些自己的结果与看法，这介 绍超导的帖子原也是轮不到我来写的。土庙山客老兄早有闲聊超导的帖子，而超 导历史中牵扯到的一些名人轶事，也早有很好的介绍，如华新民的聊聊郎道。我 要再写，自然得从不同视角出发，所幸这个视角不难找。网上流行的是拍版砖， 和和，以一个退役研究者和民间科学家的身份，我就一边做介绍，一边拍版砖。 如能挑起正统的科学共同体与民间科学家之间的激烈论战，余所愿也。 记得在七十年代末，八十年代初，上海的中苏友好大厦，又称工业展览馆，办过 一个工业展览，陈列品有中外的各种工业产品。去看过的朋友回到云南后告诉我 有一个产品给他印象很深，就是热水壶。中国人喜欢喝茶，泡茶自然要开水，这 热水壶几乎是每家必备的。其时建国已三十年，这个热水壶的造型却是三十年一 贯制，竹壳子里一个保温瓶胆，而外国的热水壶，样式层出不穷。其后几年，就 见市场上不断推出新产品，花式，功能都有很大的改观。没有比较就不能有鉴别。 学习，模仿，创造，这条路上一步都不能少。 唯一不变的是热水瓶胆，因为这是物理，物理的规律能让人去发现，利用，但不 让人改变它。热水瓶胆的学名叫杜瓦瓶，是英国物理学家又是化学家杜瓦发明的。 杜瓦在1890年代初做的工作是致力于低温环境的获得，在低温下来液化各种气体。 当时与杜瓦做类似工作的还有一个科学家名叫库默林．昂尼斯，在荷兰的莱顿大 学(莱顿知道吧？蓄电池莱顿瓶的发明者)，这个老库与杜瓦在当时是竞争者，双 方争着向获得更低温度环境努力。老库有一个牛皮之处，当年爱因斯坦穷途末路， 听说库默林．昂尼斯要招一个实验室助手，去信求职，老库把老爱给拒了。历史 啊就是这样走过来的，以老爱的脑子，如果到这个实验室，真不知道以后老爱的 成就到底会在哪一方面，我们人类的文明又会向那一方面演化。 老库当时达到了能液化氦的低温，这就是说4K，如果用摄氏温度那就是零269度 的样子。有了液氦就有一个多少算稳定的低温环境，在这个低温环境中能把平常 室温下做的实验在液氦中重复一遍，比如，测金属的电阻。老库实验室里有个助 手，名叫霍尔斯特(谢谢镜子网友找到这个名字)，当时正在测泡在液氦里的水银 的电阻，他观察到了水银电阻突然消失为零的现象──超导电性第一次向世人撩 起了一角面纱。 今天我们总说老库是超导之父，我以为也许说老库是超导之母更为合适。老库的 实验室孕育了一个能发现超导的环境，但超导来到人世的第一眼是那个助产士先 看到和触摸的。 以前，科学家们之间的竞争基本上是个人的竞争，谁先发现谁就获得荣誉。但从 超导出现以后，这情况有了微妙的改变，不是谁先发现，而是谁有权力能最先宣 称。以老库的情况，他就是被称为发现超导的人也不算过分，但传到近世，这种 掌握资源，占据要职，雇别人做研究，自己获取荣誉的活剧越演越烈。

作者: quantum 时间: 10.10.2003 09:28
走过超导之路(2)----超导的实验现象 元江 自老库在1911年宣布发现超导电性以来，已经过去了九十多年，期间关于超导性 质的实验和理论研究高潮迭起。能够标志性地描述初期超导的实验现象有这样几 个。 第一个当然是老库宣称的“完全导电性”，这个完全导电性的意义并不只是在零 电阻，它的主要特徵是一种金属是怎样从有电阻态达到无电阻态的，也就是讲这 个电阻趋零的过程对我们理解超导的帮助大於零电阻这一结果本身。老库发现， 随着温度的降低，一种金属的电阻固然也是在降低，但是到了某一温度(以后称之 为临界温度，Tc)，金属电阻的下降是突然掉到零，这就象一个人本来是从高处沿 着楼梯逐渐往下走，突然失足后从楼梯上跌到地面一样。 第二个实验揭示了超导特有的磁现象。一块超导材料，让它进入超导状态(降低温 度使其低于临界温度)，随后外加一个磁场，迈斯纳与奥森费尔德发现，磁场不能 穿过超导状态下的导体，而对於正常状态下的导体，磁场应该是能穿过它的。这 一个效应后来被称之为迈斯纳效应，或者叫完全抗磁性。完全抗磁性并不是在任 何磁场强度下都存在，当磁场强度加到一定值时，超导状态会消失，导体回到正 常金属状态，而磁场也就可以穿过导体。这就说明这种完全抗磁性是超导状态特 有的。由此也可引出另一个概念，叫做临界磁场(Bc)。这个实验结果是在1933年 发表的。超导态下的磁现象后来又有了进一步的扩展，但那是发生在理论预言之 后，我就留在后面再介绍。 本来还有一个揭示超导状态热力学现象的实验可以排在迈斯纳效应之前，原苏联 的科学家，舒布尼柯夫，曾经做了这个实验，但可能是材料选取或制备不当，舒 布尼柯夫没能得出有意义的结论。到1941年，由老库的学生Keesom(基萨母)测出 了导体在正常和超导两态间转化时的比热异常。基萨母的实验数据说明在导体从 正常态到超导态转变时，导体作为一个整体发生了第二级相变。看到过一瓶水结 成冰么？水结成冰就是一种常见的相变。不过，水结成冰时有热量排出来，这种 相变称为一级相变。而两级相变时体系与外界是无热量交换的，但体系是进入一 个新的热力学状态。 到1962年，约瑟夫逊提出可以用量子力学方法来研究超导体，他研究的对象是 SNS结，也就是一层超导，一层非超导金属和又一层超导组成的三明治。这种 SNS的几何尺度要比单个氢原子大得多，可以看作宏观物体。约瑟夫逊的理论结 果得到了实验证实，於是超导也被确定为宏观量子现象。据说，目前超导的工业 产品中，基於这种宏观量子现象的超导干涉仪占了很大的份额。 涉及超导的实验多如牛毛，我在这里选取的实验既是超导发展史上的几个里程碑， 也是为了让大家明白超导的复杂性。只要是读过一点物理的读者都知道，物理的 知识是分类的，力学，热学，电磁学，光学等，高级一点的就到了量子力学。而 从上面叙述的实验事实就可以看到，超导作为一种物理状态，同时兼有电，磁， 热，量子现象。这对做理论的物理学家是一个挑战，一个成功的，能应用的理论 应该能准确地描述以上各种现象，而从探索自然的角度来看，一个成功的理论又 应该能够说明超导状态是如何出现的。 顺便这里提一下，我所介绍的超导实验和理论，都是所谓低温超导。

作者: quantum 时间: 10.10.2003 09:29
走过超导之路(3)--早期超导理论探索 元江 先对上一个帖子做点补充。讲到超导的这几个里程碑实验和先驱人物，有些是名 实相符的，如完全导电性和完全抗磁性。有些是可以商榷的，如热力学相变的确 定和宏观量子力学。对於前者，当时做过比热测定的人应该不少，只是没有能够 系统地，令人信服地作出结论，到基萨母这里才算一站；对於后者，其实加埃佛 在做隧道实验时已有约瑟夫森效应的出现，只是加埃佛专心于隧道实验数据的解 释而把表征约瑟夫森效应的实验数据说成是杂质干扰(！！！)，这个遗漏成全了 约瑟夫森的诺贝尔奖。 早期的超导理论落后于实验事实很久，第一个理论的出现要到1934年。据镜子网 友提示，老库的实验室有很长一段时间垄断了低温技术，从1908-1923年，我依稀 记得在哪里读到过这样的说法，如果有网友知道可以补充出帖。 这第一个理论称之为歌特-卡西米欧理论。它的要旨是说在一块超导体内电子可在 两种电流状态下存在。当温度高于Tc时，所有电子都在正常态，当温度下降到 Tc时，部分电子进入超导态--这就形成了无阻电流，当温度到达绝对零度时所有 的导电电子都进入超导态。这个理论基本就是给了一个说法，难以有可验证的结 论。 在下一年，伦敦兄弟提出了一个唯象理论，这个理论假定有一个超导电流密度。 学过电磁学的人都知道，电磁学(呵呵，就是电动力学)的精髓在於有了给定的电 流密度就可以算出磁场的空间分布，伦敦兄弟提出的这个理论就是想要定量地解 释迈斯纳效应。还记得迈斯纳效应么？超导内部无磁场穿透。如果导体内部有超 导电流密度，而解出的磁场在导体内部处处与外界磁场大小相等，方向相反，那 导体内部的总磁场就处处(几乎处处)为零，这就可以解释迈斯纳效应。称这个理 论为唯象，是因为它从超导体的磁现象入手，而对这个理论中的超导电流密度到 底怎么来并没有说明。伦敦随后甚至也考虑了这个超导电流密度的起源，猜测是 由量子力学波函数而来的。这个看法本身相当接近事实，只是伦敦没能把这些想 法正确地用数学表达出来，伦敦理论因此不算很成功。 也是在1937年左右，朗道从超导的热力学现象着手提出了一个唯象理论。这个理 论后来被改造成应用很广泛的金茨伯格-朗道理论。这里我想插点题外话。为了写 这些帖子，我用上了“孤狗学”，在许多讲超导的网站上，我发现朗道的理论以 及原苏联的一些理论被提得很少，基本上是BCS理论包打了天下。这与我几年前 在网上看到的情形有相当的不同，有些资料甚至在讲到第二类超导体时都不提朗 道和阿布利科索夫的名字，真是“天上掉下个第二类”。比如这个网站 <a href='http://superconductors.org/。' target='_blank'>http://superconductors.org/。</a> 朗道的这个理论认为导体的超导和正常态都为稳定的热力学状态，所以都处於自 由能极小的状态。当导体从正常态向超导态转变时，导体作为一个热力学体系经 历了从正常态的自由能极小向超导态的自由能极小值的“逐渐过渡”(连续的)， 这个“逐渐过渡”意味着二级相变。学过一点热力学的人都知道，一个热力学体 系是由一些参量来描述的(如体积，磁场等)，而自由能的表达式就由参量来表示。 但是我们知道，超导可以在无外加磁场下发生，超导也不涉及体积的变化。朗道 的说法是有一个“序参量”，Ψ，这个“序参量”在正常态时为零，进入超导态 时从零开始逐渐增长。这个“序参量”实际上具有量子力学波函数的特徵，我猜 想朗道当时也与伦敦一样认为超导实际上是量子力学的起源，只是不知道如何论 证而已(就是今天也难以清楚地论证)，因此利用已知的实验现象，塞进了一点私 货。 在很多书中，都把朗道写出这个自由能表达式称为“天才的直觉”，我在很长的 一段时间内也是无条件地接受这个讲法。只是到了后来，自己做了一些工作后对 这个说法有点怀疑起来了。因为我发觉，朗道的这个理论包括三个要点，第一个 是“序参量”的选取有量子力学波函数的特徵，这一点我已经讲了，做这样猜测 的并不是朗道一个人；第二点是这个自由能表达式，ΔF= -α|Ψ|^2+β|Ψ|^4，只 要把Ψ换成x，它的吓人外表就去掉了，每个人都可以试试，一个x^4减去一个 x^2是会产生两个新的极小值的，而α，β的不确定，正好可以用来容纳温度的变 化，使这个自由能可以在温度达到Tc时产生上述新的极小值；最后一点是要给这 个自由能一个合理的说法，朗道号称这是自由能对|Ψ|作泰勒展开后取前两个偶 次项。我最初的怀疑即从此而来，因为朗道的理论是不可重整化的，也就是讲， 如果的确把它看作是取近似，那么丢掉的是“无穷大”。由这些怀疑，我就有了 点不臣之心，嘻嘻，这也是天才，那也是天才，那我们这些不是天才的还要不要 活了？：-)至少我们也可以追踪朗道的思路，虽然朗道当时不一定这样想。 在结束早期超导理论的介绍以前，我还要提一下匹派理论。嘿嘿，提是不提，不 提是提。提这个理论是为了以后有一大堆东西都不必再提了。在超导的书中，有 很多关于物理长度的讨论。这些长度可以归为两类，相干长度和穿透深度。什么 意思啊？这个相干长度就是匹派理论的东西，它说在导体内一点处电子发生的超 导转变与这个电子周围一定长度范围内的电子有关系。(就象小苦在沉心斋的长哭 当歌与哈蚂在虹桥科教的叫声有关系。：-))这个穿透深度呢是指迈斯纳效应发生 时磁场要在导体表面一个薄层内降为零，这个薄层的“特徵”厚度叫做穿透深度。 超导里关于这些长度的讨论很繁琐，要理解也很伤脑筋。我把它们排除掉是因为 以后我要讲的是真正解出导体内的超导波函数和磁场，那种复杂的形状根本就不 是一两个长度能准确描述的，因此，把这些长度与物理联系的结果基本上就是瞎 子摸象。 和和，这一段大家看累了吧？我来揭个宝盅，给学士以上水平的网友提提神：-) 蚁民兄对一个成功的超导理论表示怀疑，我先给出思路。 找到一个量子力学方程，解出波函数，用波函数构造电流密度，通过电流密度用 麦克斯维方程解出导体内部磁场，把这个磁场对导体求空间平均就得到宏观磁场， 由此宏观磁场可求热力学自由能。呵呵，电，磁，热，三者通吃了吧？

作者: quantum 时间: 10.10.2003 09:30
走过超导之路(4)----朗道理论的奇葩(1) 元江 讲过了超导的早期理论，就该讲到金茨伯格-朗道理论和BCS理论了，这两个理论 代表着超导理论的两大流派。金茨伯格-朗道理论着眼于座标空间的超导形态描述， 而BCS理论则是在波矢空间(K-空间)里描述超导形态。就我个人的爱好，我喜欢座 标空间的工作，“seeing is believeing”，而BCS理论用K-空间算子方法却是继承 了自粒子物理以来的场论方法(这种方法对读者很不友好，经常是在把读者绕晕以 后给出结论)。金茨伯格-朗道理论出现于1950年，而BCS理论出现于1957年。从 超导现象问世到BCS理论的问世，已有四十多年。我们一方面看到理论进展的缓 慢与艰辛，同时也可看到每一个理论提出时，作者对实验现象有著相当的认识， 所以一个理论要解决的问题有着相当明确的目标。与后来高温超导出现后的理论 文章数相比，无论在数量上还是在质量上都恐怕有成百倍的差别。早期的科学家 也重发表文章，但更重视的是文章的内容和质量，所谓“文章千古事，得失寸心 知”，发表文章是为了宣布一个经得起检验的成果。而现在许多的研究者以发文 章为第一要素，文章的质量在其次乃至末次。这种现象固然是因为科研队伍扩大 了，林子大了什么样的鸟都有，另一方面也是现在的科研教学体制在鼓励大家朝 这方面走，谁不跟上，就要遭淘汰。科学研究工作本来就是一群人在不清楚的领 域，用不清楚的方法探索不清楚的自然奥秘，原无一定之规。迷信制度，迷信个 人都是行不通的，SCI不可不要，不可只要，我以为那种对高产作者晋升高级职 称时由其自行挑选四五篇最具代表性的文章来参加评审在目前不失为一个好方法。 (呵呵，扯远了，打住) 朗道的超导理论到1950年推广成了金茨伯格-朗道理论，这个理论的具体形式大概 每本超导理论的书上都有。此理论的要点是把“序参量”改进成了一个“波函 数”。在上个帖子里，我介绍了朗道理论ΔF= -α|Ψ|^2+β|Ψ|^4，在这个形式里， 这个“序参量”Ψ，是与空间坐标无关的数，而在金茨伯格-朗道理论中这个“序 参量”被写成ψ<img src='https://www.kaiyuan.info/modules/ipboard/html/emoticons/girl_handsacrossamerica.gif' border='0' style='vertical-align:middle' alt='girl_handsacrossamerica.gif' />，这里的x是指(x,y,z)三个空间坐标，就以记号而论，网友们不 妨把它看成“波函数”。这一个改进非同小可，因为ψ<img src='https://www.kaiyuan.info/modules/ipboard/html/emoticons/girl_handsacrossamerica.gif' border='0' style='vertical-align:middle' alt='girl_handsacrossamerica.gif' />如果在空间有变化(嘻嘻， 这是一定的，不然改个bird啊)，那么就要在自由能中加格外的能量来解释这个空 间变化。实际上这正是金茨伯格和朗道要的，这个额外的能量一加，就有了微分 算符的出现，於是，对金茨伯格-朗道自由能做变分就出来了金茨伯格-朗道微分 方程。方程一共有两个，第二个是常见的磁场-电流密度方程，而第一个是著名的 金茨伯格-朗道非线性微分方程，如果把非线性项丢掉，这个方程与量子力学波动 方程有几乎一模一样的形式，差别只在两个常数的意义上，一个是质量m*,什么东 西的质量？一个是电荷e*，什么东西的电荷？我们可以暂时接受一个结论， m*=2m，e*=2e，是两倍的电子质量和两倍的电子电荷。 金茨伯格和朗道究竟用这两个方程得出什么有意义的成果我不知道，书上也没有 介绍，想来是没有。但是到1957年，朗道的学生，阿布里科索夫却用这个理论得 到了一个堪称超导理论和材料史上的经典结果，这个结果就是一个金茨伯格-朗道 理论的解析解。这个解表明，可以有一种超导状态存在，这种超导状态在外加磁 场下，不是呈现迈斯纳效应，而是让磁力线以集束形式穿过自身同时又保持超导 状态。这种状态称为涡旋态，而这种集束磁力线分布的空间图形称为涡旋点阵 (Vortex Lattice)。 看见过稻田么？稻子成熟的时候？把每一根稻杆看成一根磁力线，把稻田看作一 块超导体，稻杆均匀地植在稻田里，这就是正常态。如果稻田进入超导态，按原 来知道的是迈斯纳态的话，相当与把所有的稻子收割掉，全部去杵在田边四周(呵 呵，别让它们睡下来)。又有些地方是这样做的，收割的人把稻子一捆捆拦腰扎好， 杵在田里等人来挑走，这样的稻田景象是一捆捆直立的稻子立在田里，而人可以 在稻捆之间行走。这就是阿布里科索夫解所预言的涡旋点阵，一束束扎紧的磁力 线在导体里，留出来的空白地是超导区域，也就是看不见的波函数所在区域。知 道一点国画的朋友都知道，国画中有留白的技法，留白不是空白，一张画的整体 感是由色块与留白处共同形成的。 由於这个解析解，阿布里科索夫得出了一个结论，超导材料有一个材料参数，κ， 当这个κ大於根号二分之一时，这种材料是第二类超导体，在外加磁场的条件下 会呈现上述的涡旋态；而当κ小於根号二分之一时，不会有这种涡旋态，要么是 迈斯纳态，要么是磁畴态(龙卷风刮过的稻田：-))。 阿布里科索夫解的发表带出了一桩师生关系的公案。阿布里科索夫是朗道的学生， 用的又是朗道的理论，然而，当阿布里科索夫发表他的文章时，朗道没有署名。 要知道，从1937年朗道提出的超导理论起到1957年，二十年内，朗道提出的超导 理论唯一结出的硕果就是阿布里科索夫解。而在这关键时刻，居然有师生的不和， 令人惋惜之余，深思不已。 长久以来，朗道的恃才傲物是有名的。我还在工厂里做工人时就听一个中学物理 老师说起过。关于朗道和阿布里科索夫之间的这段公案是大家都关心的(如同我们 想知道李杨之间的关系一样)。阿布里科索夫在1987年成为原苏联科学院院士， (苏联科学院院士之尊崇由此可见一斑)原苏联解体后，有一大批科学家给罗致到 美国来，阿布里科索夫到了阿岗实验室。在九十年代初的一期“今日物理 (Physics Today)”上，阿布里科索夫写了一篇文章，讲到了这件事。据我残破的 记忆，阿布里科索夫说当他发现了这个解时，他去看正在医院里的朗道，阿布里 科索夫兴奋地谈起了这个解，谈了很长一段时间，但是朗道保持着沉默。我想真 实的情况永远也弄不清，这只有朗道和阿布里科索夫知道。但从这桩公案却可知 道，科研者之间关系的处理，也是一大课题。 有了上面的这些信息垫底，我估摸读者已对超导涡旋态有了相当的了解，至少可 以进入民间科学家的共同体。那么我们再进一步了解一下老阿的解析解，看看科 学共同体的人到底是在做些什么？ 老阿当年从金茨伯格-朗道方程入手，起手第一式就是把方程里不好处理的非线性 项丢掉。丢掉非线性项这种事，如果干得好了，叫做线性化(<img src='https://www.kaiyuan.info/modules/ipboard/html/emoticons/happy.gif' border='0' style='vertical-align:middle' alt='happy.gif' />，这是科学共同 体成员的福利，民间科学家要这么做，成吨版砖砸你没商量)。线性化以后的金茨 伯格-朗道)方程就象(是？)量子力学的薛定锷方程(只是不知道这个粒子的质量 m*和电荷e*而已)，再把这个方程简化一下，剩下一个一维的谐振子方程要解了。 呵呵，天才的第一声哭和大学二三年级的学生水平差不多吧? 且慢，水平还得降 低，老阿连那些激发态都不要，只要基态波函数，就是这个 ψ＝exp(-iky)exp[-(x-k)^2/2]。 这个波函数不难吧？我用的是无量纲的坐标，就是x与y都是用一个特殊的尺来度 量的，叫做ξ，比如讲x=5，这个意思是一个长度有5ξ。所谓微观宏观的区别， 就在於这把尺子的大小。如果要换算到我们熟悉的尺度，这个ξ通常用埃 (10^(-10)米)来度量，不过可以到几千几万埃。 这个波函数是两个初等函数的乘积，第一个表示相位，第二个表示波函数在空间 的形状。“故苏城外寒山寺，夜半钟声到客船”，这个波函数的形状就象那口钟。 波函数里的那个k大有来历，一时难以讲清，但从第二个函数来看倒也有简明的 解释，那就是挂那口钟的位置，如果取不同的k值，就是把钟在搬来搬去。现在 我们就看到了，这个波函数在x方向的复盖范围很小，不信可以试试，(x-k)取到 10这个函数就差不多是零了，这就是讲，钟的边缘<img src='https://www.kaiyuan.info/modules/ipboard/html/emoticons/girl_handsacrossamerica.gif' border='0' style='vertical-align:middle' alt='girl_handsacrossamerica.gif' />离开钟的中心<img src='https://www.kaiyuan.info/modules/ipboard/html/emoticons/kiss.gif' border='0' style='vertical-align:middle' alt='kiss.gif' />也就10个ξ 的样子。只能复盖这么小范围的函数要描述宏观的超导现象的确是不够的，亦即 一个钟盖不住寒山寺。不过，要是有很多很多钟，放在不同处<img src='https://www.kaiyuan.info/modules/ipboard/html/emoticons/kiss.gif' border='0' style='vertical-align:middle' alt='kiss.gif' />，那么整个寒山 寺就可以被钟排满。 老阿就利用这个性质，把许多ψ放在一起排出一个能布满宏观超导样品大函数， Ψ，这就是原来朗道说的那个“序参量”。做物理的人不乏精巧的构思，但是能 不能构思是一回事，物理上是不是允许把这样的构思作为一项研究成果又是另一 会事。老阿面临的问题是这样构造出来的Ψ是不是在能量上对体系有利？要说明 这一点，我必得再描绘一副图像。 让稻田变成舞池，让一捆捆的稻子变成长身玉立的男子，让波函数所在的空白处 化出一个个长裙摇曳的女子。看过“Dirty Dancing”这个电影么？Johnny教Baby 跳舞时说：“这是你的空间，这是我的空间”。跳舞的男女之间原是有着各自的 空间的，舞曲响起，这空间就开始交融。男子右脚前出，跨进女子的空间，女子 裙随身转，裙摆飘入男子的空间。我们不妨让这个场景定格，看一看两人空间交 融的情状。从男子重心垂线到右脚腿弯处的距离算作“穿透深度”λ，从女子重 心垂线到小腿裙围处算“相干长度”ξ，男女之间有了一个共享空间。这个图像 就是磁场与波函数互相穿透的图像，老阿要证明的是这样一个图像在热力学能量 上是有利的。结果呢？当然是证明了的。不过也不是什么情况下都有利，这“穿 透深度”λ要大於“相干长度”ξ的根号二分之一时，共有空间区域提供负的 “表面能”从而降低整个体系的自由能，体系稳定。这就是κ=λ/ξ作为第二类 超导体判据的来源。 事情到这儿还没完，既然共有区域提供负的“表面能”，则共有区域越多越好。 回到稻田的图像，就意味着稻捆扎得越细越好，到哪里才能停呢？呵呵，稻捆有 一个最小的单位，称为“磁通量子”，稻捆分到这里就得停了。 这个“磁通量子”与原来G-L方程中的e*有联系，一个磁通量子的测量结果含有 2e电荷，所以可以定出G-L方程中的e*对应两个电子电荷。如果结合泡利不相容原 理，那么我们难道不可以讲线性化的G-L方程是描述一对自旋相反电子的量子力 学方程么？可惜这个方程的出身不好，是从热力学理论中作了线性化“近似”而 来的，因此掩盖了它自身的物理意义。当年朗道的不肯合作，也许是已经看出这 个线性化的G-L方程对他自己提出的热力学论证的反叛性，故而不置可否。 老阿的涡旋点阵解确定了另一个临界磁场，称为Bc2，而原来的那个对应迈斯纳 效应的临界磁场称为Bc1。本来，在老阿的理论结果出来之前，原苏联科学家舒 布尼可夫在1937年就间接测得有Bc2与Bc1两个临界场，只是不明白怎么一回事， 要到阿氏解的出现，才使超导的这部分奥秘大白于天下。阿氏解的涡旋点阵大概 到1964年(？)才由磁装饰法拍出照片。这种给涡旋点阵的拍照技术就是在高温超 导的今天也是一门显学。 线性化的G-L方程下一朵奇葩要等法国科学家，圣．简姆斯和披埃尔．德．让 (P.G. de Gennes)来培植了。(后面这个名字熟么？)

作者: quantum 时间: 10.10.2003 09:30
走过超导之路(4)--朗道理论的奇葩(2) 元江 “良辰美景奈何天，赏心乐事谁家园”，在论坛上与网友交流一些个人心得，没 有发表文章，申请基金的烦恼，实在是一桩愉快的事。所苦的是打字速度太慢， 不能尽快上帖。几位相熟网友的意见，点拨，我一定采纳，以后叙述时要加以改 进，不过有些概念与些许数学公式恐怕免不了要用一点，只因为不如此做便无法 显示超导理论的精微之处。并且地并且，我有时要指出一些成名理论的瑕疵，言 之须得有据，这些细微之处就少不得了。 比如新语寺山门外摆的那座BCS倒空间大阵，端是吓人。常人只要踏入阵中，便 有库柏对，电声作用，能隙，费米面种种法宝漫天祭出，不把人绕死也把人绕昏。 这BCS理论名声很大，曾于1972年在瑞典一年一度论剑之时夺得武功天下第一的 名头。不过BCS理论名头虽大，它的下盘却甚是不稳，待我先用一招“充分必要” 逼其自顾不暇，免得搅了我们玄谈的清兴。待我与诸君把座标空间的超导现象参 透到第五六层，再一起前去找这BCS门的晦气。：-) 自老阿的解问世以后，六年间在苏联再无进展，想必朗道的态度对此有很大作用， 亦见得苏联科学家多少有权威崇拜。结果是墙内开花墙外香，便宜了法国科学家。 1991年的诺奖得主德．让在1963年时尚无今日头上的光环，他与圣．简姆斯合作， 研究了块状超导体在外加磁场下的行为与性质。块状超导体有两个平行平面与外 加磁场平行，就如你合掌夹住一本书，手指算磁力线。我们说超导波函数用来度 量空间的尺子是ξ，这ξ的长度可在一万埃，那么我们考虑一块厚度为一千ξ的 超导体，也不过是一毫米的尺寸。对超导波函数而言，这已经是很大的空间了。 为了以后好解释，我在这里取个坐标，使x方向垂直于块状超导体表面，原点 取在中心，则左右端面各离原点500ξ。 为了理解德．让与老阿工作的不同之处，我们还复习一遍老阿解的几个特点。老 阿的解是个铜钟波形，铜钟的位置由一个k参数确定，在老阿所考虑的无限大空 间中，k可以随便在哪里，铜钟波形不变。再加一点就是，一种波形对应一个量 子力学的能量，波形不变，此能量也不变，老阿解中ψ的能量是1(为方便计，我 取了适当的能量单位) 德．让他们一如老阿，用金茨伯格-朗道理论，起手第一式便是丢去非线性项。有 老阿的例子在，接下来的一路推导一直到谐振子方程。所以德．让和老阿用的方 程是一样的，差别在於空间大小的不同以及边界条件的不同。老阿的边界条件是 波函数在无穷远处为零(无限空间)。德．让他们要求的ψ局限在导体内，这就规 定了，ψ在两个表面上导数为零(这个意思是超导电子不能流出导体)。 德．让与老阿的解有很多相似的地方，比如考虑一个在导体中心处的波形，因为 离边界很远，德．让与老阿两人得到的波形几乎无差别，所以能量也都为1。但 是当德．让的波形在移近边界时波形就要改变了，因为波形的一侧会触到表面。 大海里起浪时，远离海岸的波浪形状都差不多，接近岸边的波浪其形状会改变， 当碰到岸边时，惊涛拍岸，卷起千堆雪。 波形的改变会导致能量的改变，而波形的改变又是因为其位置不同而造成的，波 形的位置是由那个k来描述的，这一串因果就使波形的能量与位置k建立了关系。 这个关系非同小可，它称之为能谱。成百上千的物理学家不断地计算，就是为了 算一个能谱。每年各个国家化在算能谱上的钱少说要几十亿刀。 要说明德．让的能谱，再看一个极端的例子。我要借雪焰师太的倚天剑一用，把 一个铜钟直剖为二，把铜钟右边的一半移到左边的边界面上。这自然是德．让要 的解之一，因为它满足导数为零的边界条件。 我们有了在中心处的波形，能量为1，又有了在边界面上的波形能量也为1，现在 我们把波形从中心朝左边界移。只要波形离开左边界足够远，波形总是不变，但 是到离表面几十个ξ时，波形的左侧开始碰到边界，波形就变了，能量也变了。 最后的结果是一个能谱，从中心处为1起到接近边界变小后再变大到1。在中心的 另一侧是一个对称的能谱。 整个能谱上每一点都对应一个波形，也就是方程的一个解，这么多解，德．让他 们要挑哪一个呢？他们要挑能量最低的那个，因为在超导理论里最低的能量对应 最高的临界磁场。 这个最低的能量值是0.59，称为表面解，而这个能量对应的临界磁场是老阿解的 1.69倍，称之为Bc3。大家公认这个更高的临界磁场是导体表面引起的，这是超导 里著名的表面效应。这个最低的能量值是在距表面根号0.59个ξ处找到，这个点 称为“成核中心”，这意思是超导从这一点开始出现的。 德．让和圣．简姆斯接下来又研究了导体变得越来越薄的情况，结果是两个表面 处的能谱极小值被挤得向中间靠拢，最后汇成一个。这个现象称为薄膜效应。 在物理中，这种理论上的结果是必定要受到实验验证的。实验的主要结果有这样 几条。薄膜效应是有的，但更重要的是薄膜在外磁场中可以呈现“无能隙”的超 导性质。这个效应造成的超导现象称之为“无能隙超导体”。BCS理论里的一个 要点就是超导必由能隙造成，这里的“无能隙超导体”是BCS理论解释不了的， 我攻向新语寺山门外那座BCS倒空间大阵的那一招就含此“必要”一式。另一个 重大结果是Bc3在众多的材料表面都被证实，这种情况下，超导电性只存在於表 面那一薄层，材料中心处却还是正常状态，超导的无阻电流，就以短路形式在表 面流过。 在实际应用中，超导需要解决制备材料的问题，而制备材料时要知道的正是这种 细节。接受电视机讯号的天线都只有薄薄一层金属覆在外面，而不是沉重的实心 金属棒，这个做法就是因为知道了高频电流下只有金属表面薄层内的电子起反应。 研究超导在实空间中的具体行为的重要性由此可见。 哈佛大学超导掌门人廷亥姆教授在他的超导引论老版本(有中译本)中曾赋予这个 “成核中心”一个解释，说是它对应波函数的极大值，并画出一张示意图，那波 形就象一个鸭子把嘴顶住表面，鸭头顶就算波函数最大值，从鸭头顶往下的垂线 与表面的距离标出了“成核中心”的位置。我做的计算表明，此处只能作波函数 的几何重心解释，不能作波函数极大值解释。就此事，我曾以晚辈身份去信向廷 亥姆教授请教过，廷亥姆教授回信没有说我错。廷亥姆教授的超导引论现在有新 版本，不过我没有看过，不知道他这个图是怎么处理的。 大多数超导典籍书中都是只讲成功，不讲失败，也不揭露矛盾的。我早年读书时 很虔诚，全盘接受书上的论述，这个也是对的，那个也是高明的，凡遇不懂处， 总是深深自责，”苦恼拳“打了一趟又一趟。为了这点，我痛苦了很长时间。后 来我读天龙八部，发觉有王语嫣这样一个人物，竟能于天下各门各派的武功都能 指出其高低之处，不觉想到，要是有这样一个师姐或师妹就好了，可以少走不少 弯路。 金茨伯格-朗道理论流布已广，凝聚态物理自不必谈，凡与非线性理论，相变理论 相关的学科，必颂金茨伯格-朗道之名。殊不知在其出生处超导领域里，阿布里科 索夫与德．让两朵奇葩都是丢掉了非线性项的。丢掉了非线性项的金茨伯格-朗道 方程已是量子力学的薛定锷方程，因此阿布里科索夫与德．让的成功实在可以归 于量子力学的成功。 当年西域高僧鸠摩智直闯少室山，挑战少林武功，以少林七十二绝艺之一的“拈 花指法”，激得山门铜钟“当当”作响，震摄住阖寺僧众。独有小和尚虚竹看出， 这鸠摩智“拈花指法”手势虽似少林武功，内劲却是逍遥派的“小无相功”。而 老阿与德．让的量子力学超导本源一如“小无相功”是夹在金茨伯格-朗道理论这 个“拈花指法”中使将出来的，纵收一时之功，日后却是误人不浅。 细心的网友也许已经注意到，在讲阿布里科索夫与德．让两个成就时，我不断地 引用“能量最小”这个讲法，不过在阿布里科索夫解中，我用的是热力学自由能 最小，而德．让的解中我用的是量子力学能谱中最小能量，各种书上也是这样的 讲法。不过我现在要对这两种讲法做个交待。 自1963年德．让和圣．简姆斯的解出现后，从没有人问一下为何德．让不象阿布 里科索夫那样，在取了最小量子力学能量后(阿布里科索夫的量子力学能量是1， 德。让他们是0到0.59)再继续求热力学自由能，或许也有新的磁结构出来。或者 老阿为何不扩展一下他的解把边界也包括进来。无论哪本超导典籍，都没有讲这 个问题，而这个矛盾是相当容易察觉的，至少做这方面工作的学者应该知道。 这个疑问，从1963年算起，在超导物理学界存在了三十一年。真相大白的时刻， 尚待元江的研究结果闪亮登场。三十一年来，大师们对这个问题非不知也，乃不 为也；非不为也，乃不能也。 中秋节快到了，我向网友们问好，并送上西瓜一担(是freegale网友挑来的：-)) 师太的倚天剑一并奉还，多谢，网友们可用来剖西瓜吃。：-) 还要恭喜一哈读完此文的网友，你已用过了合流超几何函数。 ----------------------------------------------------------------------------- --- freegale网友的BCS倒空间大阵 G-L理论是唯象理论，而BCS理论则是唯观理论，不是一个层次的东西．一个唯象 理论再成功，也不会被认为是对一个物理问题的最终解决．G-L理论可以很好的 描述超导现象，却无法回答超导形成的背后原因．只有BCS理论从微观层次上回 答了超导现象的物理机制，这就是电子之间可以通过电子－声子作用而相互吸引， 从而形成cooper对，导致正常态的费米球失稳，而塌缩到一个高度有序的状态－ 超导态．所以BCS理论的出现才被认为是对常规超导问题的最终解决，所以该理 论得到了诺贝尔物理学奖．把G-L理论和BCS理论看成是平行的理论是不通的. 众所周知，对常规超导研究最关键的突破是cooper对的概念的出现．而cooper对 是电子在倒空间(k-空间)，而非实空间的配对．没有倒空间，费米面的概念，理解 常规超导是不可能的．元江舍弃这些概念不用，而独独钟情于波函数的实空间分 部，实在是本末倒置，或曰”抓了芝麻，丢了西瓜” 有人说当前高温超导的难解是因为没有朗道，费曼这样的物理学大师，这实在是 对物理学史的无知．须知，朗道，费曼都研究过常规超导问题，但朗道只是停留 在唯象的水平上，而费曼一无所获，而且他清楚地知道他搞不了这个问题，很快 就退出了．现在我们知道，高温超导比常规超导远为困难和复杂．常规超导的实 验清晰明了，其母体正常态是简单金属，而BCS理论也只是Hartree-Fock近似，本 质上是一个单体问题．而高温超导是一个多体问题，其理论解释自然复杂得多． 其实验结果也是杂乱无章，高温超导的母体正常态的性质本身已极为复杂而怪异， 所以有正常态不正常的说法．所以朗道也好，费曼也好，牛则牛矣，但既然常规 超导都搞不定，就没有理由说生在今天就能解觉高温超导的问题． ----------------------------------------------------------------------------- --- 元江的一招两式一出，料想没有三五十年的时间，倒空间大阵不敢再布于山门 外。：-) ----------------------------------------------------------------------------- --- BCS理论的两大基石： 电子配对，电声作用，这两点导致一个费米面上的能隙 (Gap)。 这两点可在一切导电金属中找到。 为什么那些好的导电体，如铜，不能进入超导态？ 这是一个普遍的现象。 由此，如果我讲BCS理论不充分，是否成立？ 我们再看在已经找到的超导体，有所谓gapless超导现象，这又怎么用 BCS理论解释？由此，如果我讲BCS理论不必要，是否成立？ 如果两点都成立，那么BCS理论既不充分也不必要，那这理论是否能 独步天下？

作者: quantum 时间: 10.10.2003 09:32
走过超导之路(5)--青史从头论 元江 还是在文革期间，我在工厂做工人。那时一周六天工作制，每晚还得政治学习二 小时，只有周五周六晚上得空。周五晚上是组织生活，周六么是家庭生活，组织 在家庭之前。我们最怕的是开大会，当时有个军代表，中年，原是个营级，白天 打牌睡觉，晚上等革委会主任讲完了话，笑嘻嘻地端着茶缸子上台，旁边自有人 给送上热水壶，一包烟望桌子上一丢，开讲。这个军代表并没有多少文化，讲不 出什么名堂，把一些道听途说的闲事翻来复去，可以讲上近两个小时，我们总是 盼他讲一句“现在来总结一下。。。”，这句话出来就意味着讲话要结束了。 我当时很自然地就假设，我如果坐在台上，不会像他一样讨人厌。 嘻嘻，我这超导帖子系列看来也象这个军代表的讲话了，网友热情日渐低落，那 么我也学军代表来一句，“现在来总结一下。。。”给网友们振作一下精神。 我把金茨伯格-朗道的两大成果介绍得差不多了，现在可以总结一下了。 都说金茨伯格-朗道理论是唯象理论，其实啊，朗道理论是唯象理论，而金茨伯格 -朗道理论是半唯象理论。半唯象理论不是连唯象理论都不够资格的意思，它是半 微观理论的意思。为什么说半微观呢？金茨伯格-朗道理论的“序参量”也就是那 个ψ，是含空间坐标的，已经不是朗道理论的那个大个儿Ψ了。其实，说它是 半微观都是瞎摆乎，这主要是ψ的出身不好，所以那些以正宗微观自居的理论就 要排挤它，把ψ说成是“半微观”，也就是“可以教育好的子女”。在对阿氏和 德．让的介绍中，我们已经看到，ψ就是一个在微观尺度上的东西，要说尺度的 话，象BCS理论里随便找来一个长度都可以比ψ的空间尺度大，最多也就和ψ一 样小。我做过的超晶格计算中有单个薄层小到30埃，大概才15个原子的大小的， ψ照样在里边待的好好的，还不微观么？。不过，就是叫个半微观，半唯象也没 有关系。只要能解决问题就行。杀猪杀屁股，各有各的杀法，为什么一定要捆翻 呢？对吧，酸猪？：-) 我们来盘点阿氏的成功之处：有一个明确的数学解，确立κ作为超导分类标准(做 生物的同学可以想象男女分类标准的重要性)，预言磁涡旋点阵(实验证实)，结合 磁通量子化可以提供理论参数e*是两个电子电荷值，所以是超导电子配对的一个 证据。不成功之处是不能描述有边界有形状的超导体的磁行为，因为假设了无限 空间(无限大导体)。对於空间问题后文还要提及。 我们再盘点德．让与圣．简姆斯的成功之处：有一个明确的数学解，这个解包括 在不同位置的不同的波形、以及随波形位置而变化的能谱。从这些解中选出的一 个解意味着这个解有最小能量、有最佳波形并在最佳位置。有能量，波形，位置 的变化，使德．让与圣．简姆斯对半无限导体预言了表面效应(当厚度很大时的情 况)，对薄膜预言了尺寸效应(size effect，Size does matter：-))，给出成核中 心 (nucleation center)的意义。不足之处在於不能在导体厚度很大时过渡到老阿的解， 即不能描写大块超导体中心处的解。 源出同门，都是用的线性化金茨伯格-朗道方程，只是对导体的形状假设不同，为 何阿氏与德．让他们的解有这样的差别，就象华山派的气宗剑宗之差？更令人诧 异的是这两个解又互相弥补，宛如双剑合璧，一个管大块导体的中心，一个管大 块导体的边缘和薄膜，既不重迭，又无缺失。 关于这两个解的异同讨论且压一下，先厘清它们的师门渊源。 这两个解都用的是线性化金茨伯格-朗道方程，而原来的金茨伯格-朗道方程是非 线性的。线性化金茨伯格-朗道方程与薛定锷方程一样(几乎)，所以大家有理由怀 疑也许这本来就是个薛定锷方程。要排除这种怀疑应该是很容易的，只要做一个 亲子鉴定即可，那个丢掉的非线性项就可以充当DNA。解一个非线性金茨伯格-朗 道方程，要求这个非线性解要能包括线性解的结果，又能提供新的物理性质供实 验检验。可是四五十年来，没人能解出满足这样要求的非线性金茨伯格-朗道方程。 不但如此，既然线性化近似后得到的结果与实验如此吻合，我们很可以怀疑，要 真正得到了非线性金茨伯格-朗道方程的解，也许反而证明在描述超导现象上，非 线性项根本就是不能加进去的。奇葩之奇，就在这里了，毕竟物理是以实验为判 据的。有些书上称老阿的解是非线性金茨伯格-朗道理论的解，这是误导。老阿的 解只用到其线性化部分，没有非线性在内。 在老阿得到他的解的过程中，老阿用了一个非常非常重要而又方便的数学关系， 就是谐振子基态著名性质， (d/dx + x ) exp(-x^2/2)=0，或者 a|0〉=0 (懂的就懂了，不懂的也不要紧，记住老阿用了一个特殊的公式就行)。缺了这个 关系，老阿不能得到他的解。而这个关系只有对无限空间中的解才成立。这就是 为什么老阿不能包进边界和有限空间的缘故，也就是老阿无法把德．让他们的解 统一过来。成也萧和，败也萧和，帮助老阿得到解的数学关系同时也限死了老阿 解的应用范围。老阿的解在数学上平淡无奇，都是早已存在的公式和关系，但却 得到了丰富的物理结论，所以老阿的解可以比作华山派的气宗，不重剑招，气在 剑先，以物理的洞察力取胜。 这个谐振子方程是个量子力学的名称，作为方程本身，它在数学里的学名叫做韦 伯方程。(别怕，没有新方程，只有新名字。)韦伯方程的解并不只限於无限空间， 它的解叫做韦伯函数。韦伯函数的性质既复杂又很坏，动不动就要趋於无穷大(发 散)。我们知道，数学，数学，只能处理数，无穷大不是数，所以数学处理不了。 人们要用韦伯函数，就只能在它表现好的那一段空间范围内用。德．让与圣．简 姆斯处理的正是韦伯函数。韦伯函数就是在今天会算的人也不多。当年我在数年 钻研之后，用韦伯函数算出的超晶格临界磁场与一日本小组的实验资料完全地系 统地吻合，该教授在日本的一次报告中声称，当今世界只有一家会算，此评论随 风漂过太平洋，传到耳边。十来年又过去了，不知今日域中，又有几家会算？ (插一段，酸猪名头很大，肉质细腻，人见人爱，到哪个论坛都是这块牌子。但到 了虹桥科教论坛，就改叫唐团了。韦伯方程就相当于酸猪这个名字，而谐振子方 程就相当于唐团这个名字。酸猪在虹桥科教论坛的束缚态，已被研究过，：-)要 了解更多的，就得考虑酸猪，不是唐团，在别的论坛上的行为了。) 在物理中算韦伯函数，德．让与圣．简姆斯算是先驱，尽管他们考虑的几何形状 比我算过的超晶格简单，但是在四十年前的计算机条件下算韦伯函数，大概还要 用汇编语言编程，其勇气是非凡的，值得后人尊敬。德．让与圣．简姆斯的工作 虽然已估计到在引进导体边界和形状后会出新结果，但结果到底是什么却不能明 确预料，只能在算出韦伯函数的能谱后，从能谱上看有什么样的结果。这种做法 重在剑招的创新，可以算华山派的剑宗。早早年的物理学界气宗比较流行，现在 的物理学界，大多数的理论计算研究工作是剑宗，尤其是现在的Computational

hysics，大都是算些东西出来看了再说。毕竟剑招是看得见摸得着的东西，要好 学一点。用了韦伯函数，德．让与圣．简姆斯能得到新的结果，但是他们失去了 用那个a|0〉=0的机会，因为对在有限空间中求出来的韦伯函数来说，这个式子不 成立。没有这样一个关系式，德．让与圣．简姆斯只能用韦伯函数构造一个电流 密度，却无法由电流密度解出导体内的局域磁场，而没有导体内的局域磁场，就 没有宏观磁场。因此，德．让与圣简姆斯断了通向热力学之路，也断了研究新的 磁结构之路。(可以回想一下在第三帖里我揭过的那个宝盅)因此，德．让与圣．简 姆斯也无法把老阿的解包进来。因为这个原因，德．让与圣．简姆斯也根本就 不去构造电流密度，到解出波函数就停止了。 华山派的气剑两宗，老阿与德．让他们就这样各立门户，在江湖上开帮立派几十 年。这两派的门徒并不多。象老阿这样的研究成果，除了个人的才智和洞察力外， 机遇很重要，做得巧而又能有意义的工作可遇不可求。德．让他们的门派又因为 韦伯函数的难以驾驶，剑招过於繁复，学的人不多。而且地而且，这种实空间中 的工作，是硬碰硬的功夫，算的时候繁难，出来的东西倒是容易被验证为无意义 或错的。就象看列宾，罗中立的画作，随那个都至少可以评一句象不象，而毕加 索的那种画鬼的风格，又好学又好糊人，做这样的研究，容易出文章。就连德． 让本人，都转到其它领域了。 上面的这些叙述，我就交代了上一帖末对大师们的八字评语，“非不为也，乃不 能也”。“不能”就在於韦伯函数的难缠上面，而且早期的大师们通常不宵于依 赖计算机工作。工欲善其事，必先利其器，况乎无器乎？看不过我说这些大话的 网友这会气顺一点了吧？嘻嘻，别忙，我还得给您马杀鸡一下。还有八个字“非 不知也，乃不为也”没交代呢。 韦伯函数在超导典籍中被提到的不多，但这不等於有经验的学者不知道或没有意 识到其重要性。这里我讲两个小故事来作佐证。 九十年代初，正是物理学热潮开始走下坡的时候，一年一度的凝聚态物理三月会 议上，塞满了嗷嗷待哺的研究生和博士后，几乎人人都在忙着找工作，谋出路， 并无多少人专心学问的交流。虽然会议声势浩大，一派鲜花着锦，烈火烹油的景 象，盛宴即将结束的感觉笼罩在大多数人心头。是年最热门的报告是怎样找工作， 而上台介绍经验的人悲壮地讲以前他如何靠糊纸盒子谋生度日，最后又转回物理 领域的经历，以此来鼓舞底下的博士们，博士们听得愤恨不已，似乎糊纸盒子是 每个人最现实的出路。 三月会议分很多主题，一个主题一个会场。在众多的分会场中，有一个是作超导 理论报告的。主持者是老阿与另一个老美教授，我姑且称他为美教授，美教授其 时年富力强。这两人看上去很是互相尊重，美教授处处让老阿，老阿也处处让美 教授。老阿和美教授坐前排，前两排的位置都空着，但其它的坐位都坐满了。我 进会场晚了，就去第二排边上坐下。 当时我已有文章发表，虽然淹没在每月几百篇一起发表的文章中，默默无闻，但 我自己心里明白，我的文章是好的。：-)好在哪里？好在可以与实验数据吻合而 不用自由参数调节，这才是物理，这才是我从牛顿力学开始就习惯的物理。在不 断反复的计算过程中，我也越来越感到前面还有戏。我的一个想法就是三部曲， 算量子力学的波函数然后构造电流密度，解麦克斯维方程得局域磁场，最后再算 自由能。当时我一身计算韦伯函数的横练功夫，准备走数值解的道路。只不过此 工程太大，我一面作准备工作，一面想在理论上多一点准备。因此在这个会议上 想问问老阿，这样做有没有戏。 一听老阿的报告，一看周围的阵势，我发觉事情不妙。老阿那时到美国不久，英 语不太好，而我的英语也不好，而且平时围住老阿说话的人特别多，我没办法与 老阿静心交流。就在这时候，一个名校的博士后做完了一个报告，是用什么共形 群变换得出一个超导性质。美教授站起来，很严肃地问这个博士后为什么要用共 形群方法，博士后小声咕噜了几声，美教授转身对大夥儿说，这个结果早在二十 年前就做出来了，转身又对这个博士后说放着金茨伯格-朗道方程不解，blah blah ．．．。我一听，好，这个教授的看法和我想的是一样的，不喜欢那些花拳绣腿， 待会我问他。 会散时美教授身边也有一堆人围着问问题，我插到空档，立刻就打了招呼开口自 我介绍，还递上了一篇我所发文章的单行本，美教授一手接过单行本，我立刻把 我的想法说给美教授听，刚说了一句，美教授才刚刚眼睛扫过单行本封面，就眼 也不抬地问我“你用不用韦伯函数？”我一听如雷灌顶，知道对路子了，赶忙说 用，我就是用韦伯函数算的。美教授这才抬头看我一眼，“你似乎正在正确地接 近问题(It seems that you are approching the problem correctly).”。立刻， 别人又插 上来问美教授问题了，我只来得及挤出一句“thank you”。 射雕英雄传里的梅超风，曾在对敌之际向全真教道长马钰探问何为‘铅汞谨收 藏’，马钰顺口回答“铅体沉坠，以比肾水：汞性流动，而拟心火。 ‘铅汞谨收 藏’就是说当固肾水，息心火，修息静功方得有成。”得此一句，梅超风哈哈一 笑，谢过了马钰，腾身而去。 我得了美教授的这一句评语，自然信心增强了不少。其实，关键倒不在於他的话， 而是在於他快捷而又确定的反应，这说明他也象马钰修炼全真教内经要诀那样， 对韦伯函数念兹在兹。 另一个故事已是在这次三月会议两年后了，我的三部曲设想已经大成，发出的文 章被基本接受了。我对自己的成果很有信心，但我总是埋头做自己的工作，对别 人的工作不甚了解，有时看看别人的文章，发觉他们也在做涡旋点阵，但好像和 我的很不一样，说法，解释用的都是不同的语言，心下很是疑惑。这时又有了一 次小型会议机会，就在我们学校开。参会者有帖子贴在会场里。我就去看，看到 一份算层状超导体内涡旋点阵的什么熵的，那涡旋象一根根筷子插在层间，我就 找到了这个帖子的主人，也是个老美教授。这个教授很傲慢，爱理不理，我同他 一起走到学生的酒吧里，帮他买了啤酒，坐下交谈。我向他请教，他说你可以读 读那个帖子。我再说明，我不是问他那篇帖子在做什么，我想知道他用来算熵的那 个涡旋点阵是怎么来的，他说是模型，假定在那层面处插着一个个磁通。原来 如此，我想，这不糊人嘛，我小时候逢地藏王菩萨生日时满地插香，就干的这个。 我把身边带的一迭纸拿出来给他看，上面都是超晶格在平行磁场下的涡旋点阵， 我说这些涡旋点阵都是很复杂的，你看看怎么可以想半法算它的商？他的脸色不 自然了，他说这是他的博士后做的工作，他不太了解。随后他诚恳地说，你的问 题大概有一个人可以讨论，他从德国来，对超导很熟悉。谢过了这位美国教授， 我就去找那个德国教授。我就称他为G教授吧。 找到G教授时，他正在与别人讨论他的帖子里的内容，我等他稍空一点，作了自 我介绍，就问他可不可以谈谈层状和超晶格里的涡旋点阵问题，一边说一边就把 手上的图翻给他看。G教授一看就问，“边界处条件是不是导数为零？”我说是。 G教授再问：“那你用了韦伯函数吗？”我说用了。G教授翻了两页说，你写文章 了没有，我说写了。OK，他说：“你能不能把你的文章给我一份，我今晚看看， 明天跟你谈。” 第二天午餐时，我俩坐在学生饭堂里，阳光暖暖地从落地长窗照进屋内，我们在 饭桌上就着餐巾纸画图写公式。我给他的文章稿子上，到处是红笔写的OK和惊叹 号，昨晚他读得非常仔细。G教授是个温和的长者，他不断地问我问题，我看得 出来，有的问题是他想弄清，有的问题是他懂的，怕我不懂，所以提我问题。和 懂行的长者在一起平心静气地讨论学术，真是难得的经验和享受。谈话差不多三 个小时，G教授推掉了那天下午的活动，快结束时他对我说，你知道吗，阿布利 科索夫是错的。我有点不认同，虽然我知道我的确已经把阿布利科索夫和德．让 他们的解都包括在一个非均匀超导体的热力学自由能中，因此统一了气剑两宗， 但我觉的只就大块均匀超导体来说，老阿的解也是对的。可是，我没有读过阿布 利科索夫的原始文献，也许G教授读过，知道老阿还有些错误的想法。G教授见我 没接口，沉默了一下，说Maybe，他是幸运的。我点头同意，我想我也是幸运的。 理论物理里，勤奋是少不了的，而没有幸运，要出成果也很难。G教授告诉我， 他这次回去要给TEWORDT 老师做寿，这又是一个超导界中的大德耄宿。 “非不知也，乃不为也”到此也作了交代。 阿布利科索夫和德．让乃当世凝聚态物理中两大高手，我的研究工作要在他们的 合璧双剑中硬抢战果，全身而退，难度非同一般。要想知道故事捏，就得容我再 写两个微分方程，很简单的两个。 千兜万转要出台，又抱琵琶遮半面。：-)

作者: quantum 时间: 10.10.2003 09:32
元江 走过超导之路<img src='https://www.kaiyuan.info/modules/ipboard/html/emoticons/devil_smile.gif' border='0' style='vertical-align:middle' alt='devil_smile.gif' />--铜铁炉中翻火焰 ------------------------------------------------------------------------- 毛泽东诗词 贺新郎读史 1964 春 人猿相揖别。 只几个石头磨过，小儿时节。 铜铁炉中翻火焰，为问何时猜得？ 不过几千寒热。 人世难逢开口笑，上疆场彼此弯弓月。 流遍了，郊原血。 一篇读罢头飞雪， 但记得斑斑点点，几行陈迹。 五帝三皇神圣事，骗了无涯过客。 有多少风流人物。 盗跖庄〔足乔)流誉后，更陈王奋起挥黄钺。 歌未竟，东方白。 ---------------------------------------------------------------------- 我的屠龙宝刀要出炉，这一帖的名字嘛得起好了。想起来毛主席的诗词，就去 孤狗一下。果然是好，颇合我此时想在超导理论中飞扬跋扈一番的心情，就引 在这里。特别又有一句，“一篇读罢头飞雪”，就象歪把的“上网有害健康”， 我要提请读我帖子的“妙玉”们(槛外人)注意，要是让你们读的头飞雪，我可就 罪孽深重了。所以有不懂的地方，只管提问，只管跳过，你胡乱喊几声好捧个人 场就行。 这帖要出几个方程，别怕，实际上是一个方程，不同形式而已。就象一个人从 不同角度照的多张照片。下面我们就看第一张照片。这张是写真，看仔细一点， 然后我们再看其它装扮好的。看完了，你就知道为什么花钱买漂亮衣服是值得 的。 韦伯方程的写真是这样子地 -ψ'' + x ^2 ψ= λψ (1) 这里，x^2读作x平方，那个λ是个数，而ψ写得全一点就是ψ<img src='https://www.kaiyuan.info/modules/ipboard/html/emoticons/girl_handsacrossamerica.gif' border='0' style='vertical-align:middle' alt='girl_handsacrossamerica.gif' />，是个x的函数， 我们也叫它波函数或者波形。第一项是这个ψ 的二姐倒竖(sorry，二阶导数，此 词神童所创，不用可惜)。我们要处理的ψ 是个没有零值的函数，也就是一条在 x-y平面上半部的曲线，所以我可以在方程两边都除以 ψ ，不会有把零放在分母 上的危险，结果就是 - ψ ''/ ψ + x^2 = λ (2) 还没糊涂吧？：-)接着整。 这第一项现在就象耍杂技的，一个底座，就是那个ψ，背上一个二姐倒竖。 现在你随便取一个x值，比如说6，这个意思就是6个ξ处，我这里用的长度单位 是ξ所以ξ不明显地出现在我们的分析中。在这个x=6处二姐倒竖有个数，函数 自己也有个数，两个一除还是个数，记作A1。x^2=36也是个数。这个方程呀就说 36减去A1 等於一个数，这个数是λ。这不废话吗？数减数当然还是数了。且莫心 急，我们再接着整。 现在取x=7，那么那个杂技项又给出一个数，记作A2，这会呀49减A2还得等於 “同一个数”，λ。第一次等於一个数可以讲是平庸，第二次等於同一个数还可 以讲是巧合，但我们可以一次又一次这样做，也就是说，不管取x等於几，x的平 方值减去那杂技项的值永远等於“同一个数”，λ。这就是个条件。 呵呵，这会谁都估摸得出来，这个ψ 不好找。如果找到这样一个ψ ，这个ψ就叫 做本征函数，而那个 λ就叫做这个本征函数的本征值。以一个固定的数通过方 程来确定ψ 的空间形状，本征之本，意义就在这里了。实际上找这样的函数是许 多物理学家的日常科研工作，也不难，背得动二姐就行。 在物理中，这个本征函数就叫做波函数或者波形，它描写电子的空间范围，而本 征值就对应这个波形的能量(我也只用数来表示，意思是取适当的能量单位)。你 可以把这个ψ看作一把大伞，电子看作打这把伞的小孩。远处望去，你看得到伞， 看不清那小孩。小孩到底在伞下哪一点是个严重的哲学问题，我们不伤那个脑筋， 我们只要知道伞在哪里，孩子就在哪里就行了。 现在我再加一点点东西到方程里去，加一个“中心”，就是在括号里加一个k -ψ '' + (x - k) ^2 ψ = λψ (3) 这个k可以看作是波形ψ 的几何中心离开坐标原点的位置。像我们上面对方程 (2)作解释时，就是把k取在座标原点处，也就是ψ中心在原点处的意思，所以k是 零。加了这个并没有改变韦伯方程任何性质，不过是使我们在选取坐标系时更自 由一点。解这个方程是老阿与德．让他们要过的第一关。 老阿找这个ψ时说，我要找个ψ，它满足这个方程，不管ψ位置在哪里，也就是 不管k在哪一点。这个说法是要有条件的，那就是导体所充填的空间无边无际，天地 玄黄，宇宙鸿荒。这才能把ψ的几何中心取在任何一点。老阿找到了他要的 ψ。这个函数我们已经看到是 exp[-(x-k)^2/2]，它的λ=1(本征值为1)，这里k是 完 全不确定的，所以老阿可以用许多许多不同的k造出Ψ来。结果是涡旋点阵的出 现。 德．让他们找ψ 的时候说，我也要ψ 满足方程，但是还要在导体边界上满足导 数为零，就是讲ψ不能在导体之外。结果德．让他们找到一大堆ψ，它们的波形 (ψ)，位置<img src='https://www.kaiyuan.info/modules/ipboard/html/emoticons/kiss.gif' border='0' style='vertical-align:middle' alt='kiss.gif' />和能量(λ)各不相同。如果是薄膜，最小能量的ψ在薄膜中心找到， 这个ψ的中心就是薄膜的中心，好像老阿的解被两个边界挤扁了一样，这是薄膜 解。如果是很厚的导体，就在距边界处根号0.59个ξ的地方有一个λ=0.59的波形， 这称为表面解。 现在我再给这方程加上两点，两个“基本点”，这会看起来象这样 (x - k) ψ^2 = [ (x - k)^2 ψ^2 - λψ^2 - ψ'^2 ] '/ 2 (4) 这个方程里的ψ 和ψ' 都是两次方的形式，穿了衣服后 ψ 要显得厚实一点。 衰啊，网友们要叫了，元江你还要哄我们看多少方程啊？嘿嘿，就这个方程了， 神物自晦，无声无色，这就是我的屠龙宝刀了。 你把方程右边方括号外面的导数一求，右边会有一项(x - k) ψ^2出来，与左边的 减掉，剩下的就是原来的方程(3)。这左右两边加上的(x - k) ψ^2就是后来加上的 两个基本点。屠龙宝刀就是这样练成的，韦伯方程加上一个中心与两个基本点。 这种做法，并没有改变韦伯方程任何数学性质，是恒等变换。gandong网友预言， 大概有一个“很厉害的数学家”做个变换来统一两大高手的理论，嘻嘻，“很厉 害的数学家”是个蹩脚裁缝，只会做三点式泳装。：-) “昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路”。四十年前德．让他们在找到表面 解后驻足不前，再也走不动，倒不是看不透，实在是没舍得买件泳装打扮韦伯方 程，致使得“云横秦岭家何在，雪拥蓝关马不前”。化钱买衣服的理由找到了 吧？ 看我这个系列帖子的物理网友可能会去读我的文章。要注意的是在那文章里， 我一手舞动屠龙宝刀，发出一派解析式荡开两大高手的内力，生生把那块超导 体罩与刀光之下；一手使韦伯函数的横练功夫，向那块超导体一掌掌的招呼，逼 出超导体在各种磁场条件下的波形，能谱，局域磁场。结果琳琅满目，缤彩纷呈， 致使两大高手心知今日超导四周，已非两家天下，逐知难而退，不复争夺。如果 不读我这帖子，直接读文章，就可能为热闹的打斗场面所引，忽略了这屠龙宝刀 的存在。嘿嘿，无此宝刀，元某挡不住两大高手的掌风一扫，韦伯掌招呼不到导 体身上。 老阿和德．让他们的做法是先解韦伯方程，再从得到的解上入手找关系。应此， 老阿的向前走和德．让他们走不了，都是正常的，因为在他们求解时已经都加进 了空间条件。但是地但是，我的这个变换是在解方程前就做的，所以不受空间条 件的限制！ 当我用解得的ψ来构造电流密度时，它都是一些(x - k)ψ^2这样的项以及交叉项 (这个屠龙宝刀的变形)，这样就可以把方程(4)里的右边代进去，於是那电流密度 就成了全导数。再把这个电流源代入麦克斯维方程时，那磁场旋度也是一阶导数。 这样，“铁骑突出刀枪鸣，银瓶乍破水浆迸”，原函数从导数背后脱颖而出，连 ψ是个什么样子都不用知道，导体内部的磁场解析解已经出来了，往下一路，求 磁场的量子力学平均，求自由能，无往而不利，解析式一路到底，开通量子力学 到热力学的道路。此刀初得之时，我一路扫向薄膜，块状，无限，超晶格种种结 构。刀锋到处，迷雾四散，各种局域磁场先后现身，纤缕尽呈，我虽身居斗室， 纸上波涛一样激起雄心万丈。 自我开始写这个系列以来，很有一些奉BCS理论为名门正派网友，以为我在替金 茨伯格-朗道理论张目，所以前来理论。而我确实对BCS理论有一点看法，所以也 不免争论一番，於是，大家的印象是我就是信奉金茨伯格-朗道理论。其实我非金 茨伯格-朗道门下弟子。 我既从介绍超导理论开始，那就是别人的理论，比如金茨伯格-朗道，我不能歪曲 别人的理论。所以我得尽量挖掘出别人理论的优缺点，让读者有个了解。对金茨 伯格-朗道，对阿布利科索夫，对德．让他们都是这样。因为对金茨伯格-朗道这 一派的工作介绍得多，以至於造成了误解。实际上，如果我当年也是循这条道走 的话，也许就不会有后来的突破。这几位大师手下学生无数，不乏聪明才识之士， 为何让这个问题搁置三十一年之久呢？如果我是他们当中的一员，很可能向他们 一样，都没有意识到这个问题或者已识到了也就此轻轻放过。 在我多次对金茨伯格-朗道理论做评论时，我都再三强调老阿与德．让的成功是 线性化金茨伯格-朗道理论的成功。金茨伯格-朗道要让这两大成果认祖归宗，还 得做个非线性化金茨伯格-朗道理论的DNA检查，就是要把非线性项的解得出来 与老阿和德．让的物理结果比较。做不到这一点，金茨伯格-朗道无法声称这两大 成果出於它们的门下。单从老阿与德．让的武功路数来判别，就说是薛门弟子 (量子力学)也是不错的。可惜前来论理的人看不明白，枉费我做的一番眉眼，可 见即使是搞科研的人，要改变见解有多难。 说起我的超导入门，倒还是从BCS理论开始的。我开手做工作是用的德．让-勿杀 马方程(de Gennes-Werthamer)和德．让边界连续条件。嘿嘿，这德．让厉害吧。 虽说德．让在块状超导体上承让一招，让我在他身边跨前一步，我还是很佩服他 的。科学研究工作就应该这样，前人趟平的道让后人走得顺当一点。这德．让-勿 杀马方程呢，又源于戈尔科夫方程。戈尔科夫是原苏联科学家，与阿布利科索夫 同时晋升为苏联科学院院士。原苏联解体后也到了美国，在佛罗里达大学。 我称这戈尔科夫为封神榜里的“接引道人”，因为戈尔科夫在1959-1960年间从BCS理 论“推导”出了金茨伯格-朗道理论。这BCS理论是在倒空间里弄神通的， 我曾被其搞得头昏脑涨，而戈尔科夫的工作在座标空间和倒空间凿了一条通道， 让我逃出生天。不然，那个从量子力学到热力学的问题谁来解决啊？戈尔科夫最 初开凿的是一条极小的通道，只在很严酷的条件下才适用，后经德．让-勿杀马在 戈尔科夫小道的基础上拓宽，才变成康庄大道。只是这康庄大道也不是人人肯走 的，特别是一帮习惯了在倒空间里弄神通的朋友，要解决humen-desire的问题， 不肖于回到座标空间里来与实验见面。用罗盘来看风水和用罗盘来航海究竟是有 区别的。 由於戈尔科夫从BCS理论推出了坐标空间的方程，现在许多人一句“金茨伯格-朗道 理论可从BCS理论推出”就牛皮地对坐标空间不肖一顾。我在这里用常识与大 家商榷一下这句话到底是什么意思。我们知道，“推出”的意思是数学推导，那 么金茨伯格-朗道方程或者德．让-勿杀马方程与BCS是不是等价？或者讲能不能 推回去？如果能推回去，那么两者等价也就应该有同等地位。如果推不回去，那 么就要有个说法，是在哪一步上推不回去，为啥？ 我倒可以讲个原因，推不回去是因为一路推导时做过多次“近似”，这些“近似” 从来没有被证明过是近似。什么叫近似？我欠你100元，还你99元，你知道我少 还一元，一元比99元小很多，你不计较，这叫我近似地还清了欠你的钱。如果你 不知道我欠你多少钱，只知道我欠你，当我还你99元时告诉你这就已“近似”于 我欠你的钱了，你肯相信么？ 那么，有没有办法证明那些那些“近似”的确是近似呢？比如说，把精确的推导 做出来，以发现丢掉的到底有多大？嘿嘿，要是精确的推导做得出来，还取近似 干什么？这些工作都是有资格在斯德哥尔摩打转的，谁愿意丢了精确取近似啊？ 好，回到我的武功流派来，我当初是从用德．让-勿杀马方程解决康托尔分形超导 超晶格的磁现象入手的，这德．让-勿杀马方程啊说来让人不信，又是一个薛定锷 方程！所差的是那些常数的名字不同而已。这就奇怪了，怎么弄来弄去都象薛定 锷方程啊？不懂的人以为是巧合，半懂的人以为是数学推导的自然结果，真懂的 人才知道，这是凑出来的！ 自量子力学问世，大家都知道，这世界上能和电子说得上话的只有薛定锷方程。 因此，金茨伯格-朗道改造理论时要把薛定锷方程藏了进去，再让自由能变分后露 出来；戈尔科夫和德．让-勿杀马方程在推导时用了许多不明不白的近似，胆儿那 么肥，要凑的答案就是薛定锷方程的形式(这个凑答案的活大家不陌生吧？)。无 论是金茨伯格-朗道的线性化近似还是戈尔科夫和德．让-勿杀马的近似，他们推 导结果的正确性不是由出发点的稳固与推导的精确来保证的，而是以结果象不象 薛定锷方程来衡量的。而常数解释的不同又可以区别于薛定锷方程，以避免薛定 锷方程当初是单粒子方程而不能用于超导的尴尬。我可以推想，在大师们当年用 的草稿纸上，很可能有不象薛定锷方程的结果，被他们丢掉了。当然，这种话书 上都是不说的。红花白藕青荷叶，三教原来是一家。 我在分形超晶格的研究中发现了奇怪的能谱(正确的能谱！)，不能解释，历时数 年后，我终於有机会自主研究。我的想法很直截，一个程式要是能解决复杂结构， 必定要能够解决简单结构，於是我退到最简单超晶格，退到三明治结构，退到单 层，每一步都算，再一步步向前走。在这个一步都不脱的过程中我逐渐解除了对 名人的迷信，对理论的迷信，而把眼光转向实验数据的核对。唯有实验数据的支 持，才使我有勇气向大牛们的理论表示怀疑。这一段逐渐改变做研究态度的过程 大概可以另外出一个系列，先压下不表。 当时我的一个最大的矛盾就是超导的量子力学特徵与热力学特徵。德．让和老阿 做的似乎是热力学特徵，因为他们号称是金茨伯格-朗道那里来的。而日本的高桥 -立木两人及我的工作又似乎是量子力学特徵，因为我们用的德．让-勿杀马方程 是从BCS唯观理论推过来的。但是看方程的形式又完全是一样的，只在说法上有 差别。最明显的就是我做的超晶格表面与德．让的表面解有内在的联系，那么这 个能谱是热力学能量还是量子力学能谱呢？ 第二个矛盾就是超导分类，简单超晶格(千张饼的意思)由两种超导材料组成，每 层可在几十个埃左右(纳米的量级)。两种材料的κ值不同，那么这个超晶格的κ 值怎样确定？ 我长期的思索带来了一个信念，超导有生和存两个环节。判断其生是用量子力学 能谱，判断其存则用热力学能量。 这个想法可用一个比喻来让不做超导的网友明白。量子力学与热力学在超导体上 的理论矛盾是微观解释与宏观解释的矛盾，就象一个孩子的生和养。生孩子从本 质上来说是两人的事，比之于微观的；把孩子养大和孩子长大后的表现是社会性 的，比之于宏观的。超导能不能在一个导体内生成是微观的，受量子力学控制； 生成超导的机制有了以后能不能实现并被观察到是宏观的，受热力学控制。 这个想法今天讲来简明，我当时却是混混巫巫的折腾，直到我锻出宝刀，打通 了超导在微观与宏观的通路为止。有了这个观点，回看各家超导理论，六经注 我，再无窒碍。我只看一个理论怎样描述超导的生，怎样描述超导的存，是否 能有生和存的标准。 这把屠龙宝刀是在超晶格的情况下先打造出来的，形式还要复杂一点，但是写文 章时我却为难了。屠龙宝刀虽利，但只能在比武场里助我，能不能上比武场又是 另外一层障碍。这一篇文章要推出从量子力学到电动力学到热力学的三部曲； 要改变κ的定义；要给超晶格中新的涡旋点阵；要推广阿布利科索夫的理论。 有这几个内容，无论什么地方审稿者对不上眼，都可能拒稿。 光明顶上，张无忌看清了空性和尚的少林三十六式龙抓手的使法，逐用龙抓手对 龙抓手与空性对攻，招招快一步，折服空性和尚。我也要用此法将我的结果穿上 传统理论的外衣，以便说动审稿人。 我选定了德．让和圣．简姆斯的块状超导体，因为这个结构最简单，但是又有表面 效应与薄膜效应来让我的解尽情发挥。他们在金茨伯格-朗道理论框架下没走完 的通向热力学之路我可以帮他们走完。线性化的金茨伯格-朗道理论又有足够的空 间容纳我的三部曲构想。於是我对块状超导体的薄膜和边界效应做完计算，并导 出了热力学自由能，隐掉了我在超晶格中才会出现的几个新结果，带上金茨伯格 -朗道的帽子，点缀成篇，写出了文章。并计划要在这篇登出后再顺理成章发超晶 格解。 文章既成，发向德国的凝聚态物理杂志。我虽然以前发过些文章，但从没有在这 家杂志发过。我要找一家与我过去文章从无挂葛的杂志发表，以求公平公正的审 稿。

作者: quantum 时间: 10.10.2003 09:33
元江 走过超导之路(7)--无边落木萧萧下 ------------------------------------------------------------ 破阵子辛弃疾 醉里挑灯看剑， 梦回吹角连营。 八百里分麾下灸， 五十弦翻塞外声， 沙场点秋兵。 马作的卢飞快， 弓如霹雳弦惊。 了却君王天下事， 赢得生前身后名， 可伶白发生！ ----------------------------------------------------------- 千山万水，长途跋涉，读者给我带到这一帖，够幸苦的？：-)这还是在我们实空 间呢，我举的例子你能想象，要是在倒空间，呵呵，现在大家体会我当初在倒空 间的痛苦了吧？好了，咱们接着说超导故事。 上一回讲到我用“暗渡陈仓”之计，要把那屠龙刀法和解析解的方法带着金茨伯 格-朗道的外衣先卖出去，然后再卖用屠龙刀法和解析解得来的超晶格中的物理和 老阿理论的推广，这金茨伯格-朗道理论是容不下超晶格的。网友想干嘛这么麻烦 呢？嘿嘿，这世道。。。 我那篇文章本是点缀而成，熟门熟路的理论有了解析解还怕出不去？审稿者的意见 一回来，不对，我的算盘没能瞒过审稿者的法眼。 审稿者先说：“这个结果可能是重要的，数据可能是准确的，课题可能是令人感兴 趣的，但是。。。”这后面一堆话，带了五点意见。最重要的是第一和第五。 第一点呀说作者应该写出这篇文章的Philosophy，奇怪，我又不是哲学家。第五点 说作者都是引的老文献，是不是近年在这方面有什么发展作者给漏了。 我咂了半天滋味，咂出来了。第一和第五是呼应的，审稿者在说你小子寄来的这 工作不错，要是你做的，你得说说怎么想到这问题的，要是你从别处拿来的，给 我老老实实把出身地报上来。我再仔仔细细品味，知道审稿者是善意，而且中间 那三点也在指点我怎么改文章。於是我和盘托出，告诉他，我还有超晶格解，这 个Philosophy的问题么就是关于κ定义在非无限大非均匀超导体中的失效。我现 在把表面和内部不均匀分两篇处理，先送这篇简单的。再告诉他，这确实是我的 工作，如果审稿者在任何杂志上看到以前有类似工作，请告诉我。那屠龙刀之类 的话就没舍得写上去，得留着到网上吹破天，那才过瘾不是？ 这篇文章我改了一个月，再发，两个星期后回信到，一句话，接受。我一边等它 登出来，一边整理超晶格的材料。我那篇超晶格的文章是对着实际材料算的，实 验数据是日本的渡边教授的文章提供的。我在文章里同时做了量子力学能谱的分 析，并又做了热力学自由能的分析。两者的综合说明，量子力学和热力学的计算 都表明了实验结果应该如此如此，这般这般，事实上渡边教授的数据也果然是如 此如此，这般这般。我相信这是自有超导理论以来到我文章发表时为止，第一篇 不用自由可调参数对一个实际材料同时做量子热力计算并与实验核实的。 (嘿嘿，有人说我这篇文章SCI=0，这是给二黑网友批评SCI提供炮弹：-)) 这就是我认可的物理理论，是科学。这第二篇文章没有阻碍，下一年登出。 现在啊，要让跟我晕乎了这两三个星期的网友尝试一下内功上了层次，筋脉具通 的感觉。先来一个“沙场秋点兵”。 我们的理论计算思路是这样一条路子(我们的！你掌握了这理论，它就是你的。) ψ- Ψ- J - b - B - G 有了这样一条思路，我们就来体会一下“马作的卢飞快，弓如霹雳弦惊。” ψ是从“量子力学”方程解出来的，无论是线性化金茨伯格-朗道方程，德．让-勿 杀马方程还是薛定锷方程，到这一步，都只是韦伯方程。咱们就不论出身了， 就叫韦伯方程。韦伯方程都会解了吧？你就跟人说会的好了，反正也没有几个人 知道怎么解。别吹到太牛的人那儿去就行。：-) 解出ψ后，学学老阿的样子，把小ψ拼成大Ψ。这个大Ψ如果写成|Ψ|^2，就是歌 特-卡西米欧理论里的超导电子密度。呵呵，大师们当年靠猜，咱们靠算，比大师 们还牛一点，歌特-卡西米欧只能猜平均值，我们知道哪里多哪里少，先下一城。： -)(晕了的同学请复习第三帖) 把大Ψ变成电流密度J，这是当年伦敦兄弟梦寐以求的超导电流密度，伦敦兄弟 靠假设，就是唯象理论；咱们靠算，就是。。。就是微观理论，就是本质理论， 就是不用说为什么对的理论，对的一塌糊涂。又下一城。：-) 那个辟派理论还记得吗？一个超导电子的行为与周围电子有关？我们的|Ψ|^2早就 把这全包了，到处都有关。不过，这不算一城，我没怎么讲辟派理论不是？不讲辟 派理论的原因还有一个，就是按我们这个路子，超导理论里最基本的长度只有一个， 那就是相干长度ξ。另外那个穿透深度λ描述磁场的空间范围，既然磁场是解出来 的，那穿透深度λ也是解出来的，所以是个“导出长度”，不是独立的 长度。这就是我为什么排除了一大堆有关于长度的工作。还记的跳舞那例子么？ 男子的出腿用穿透深度λ来描述，嘿嘿，那得让女子给管着，明白了？：-) 从J到b(b的意思是空间有变化的磁场)，用我的屠龙宝刀，就可解出，这一步咱们已 经与金茨伯格-朗道理论的第一朵奇葩平手放对了。实际上比老阿还厉害一点， 因为他用的是屠龙宝刀刀鞘一样的兵器(a│0〉=0)，但老阿用得早，咱算平手。 第二朵奇葩德．让本来稍逊一着，德．让都没有这个b场，但是地但是，他开通 的从倒空间到实空间的大道和他的边界连续条件对我的工作实在贡献巨大，我也 算他平手。(网友们要牛一下只管请便) 看出屠龙宝刀厉害了吧，B(热平均场)和G(自由能)还没算，几十年的超导理论一 扫而过。(还有个高桥-立木解(1986)也在扫过之列)只有老阿还勉强能站住，仗了 宝刀刀鞘之利。：-)(老阿也有自由能)。 至于那个约瑟夫森的宏观量子力学，还用得着讲么？小ψ和大Ψ，要微观有微观， 要宏观有宏观，早让我们的理论包圆了。 还有一个理论我没有介绍，就是BCS理论，不过有人来吵过架了。：-) 我现在没有心思跟他们罗嗦，等我下会再开始写，放出我的WMD，把那倒空间 炸个七零八碎算了。现在先给个警告，让那帮迷信的弟子们有个回头是岸的机会。 到时大难临头，勿谓言之不予。：-) 好，再回来讲故事，发超晶格文章时，我在一个小城里做事。这个小城在大西洋 边上，原来是个渔村，总共才六千人。我当时一家三口，分三个地方已经数年了， 但咱们有陈景润的榜样不是？我仍然孜孜不倦在做研究。做研究这个东西也迷人， 尤其是你突破过什么，就不肯再做平庸的工作了，老想再突破。我那时看着什么 量子霍尔效应啊，量子阱啊，不过一时入不了门，入不了门的原因不是理论，而 是实验细节不清楚。平常的消遣么，猜猜是什么？新语丝之友邮件组，可我是哑 巴，说不出话，不会打字，看着他们热热闹闹地开夜航船讲故事。 那天下午四点，我们校长突然要全校开会，他宣布，经费短缺，要砍项目。我所 在的项目也在其中。我的宿舍门外几十步就是大西洋，我沿着岸边走了很久很久， 那风啊，又硬又冷。后来我想通了，物理啊，我对得起你，你也对得起我，我们 就此分手吧。 有一首诗，以前喜欢，但不懂。后来听人解，还是不懂，但还是喜欢，就录在这里 算这个系列的结束。 锦瑟李商隐 锦瑟无端五十弦，一弦一柱思华年。 庄生晓梦迷蝴蝶，望帝春心托杜鹃。 沧海月明珠有泪，蓝田日暖玉生烟。 此情可待成追忆，只是当时已惘然！

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