超导简史（二）最有个性的物理学家

【“迈斯纳效应”，超导体降至临界温度以下，产生完全抗磁性，视频中的超导体在下方磁场作用下悬浮起来。】

在迈斯纳效应中，超导体体现出完全的抗磁性，如果有电流通过超导体，那只能浮于表面，如果这个表面是一个绝对的理想表面，厚度为0的话，那就会出现电流密度无穷大的悖论。因此他们引入了一个“穿透深度”λ的概念，指出：正是有这个穿透深度λ，所以形成一个有厚度的表面层，将里面的超导体保护了起来。

伦敦方程过于粗糙，仍有很多理论缺陷，解释超导的接力棒传递到了苏联全能天才物理学家——朗道的手里。

在物理学史上，朗道堪称最有才华而又最有个性的物理学家之一，他留下的物理学教材《朗道十卷》和《费因曼物理讲义》一起被后世的物理系学生视为物理学的《圣经》！他也因此吸了一大波粉，关于他的故事广为流传。

朗道大学毕业之后，周游欧洲列国，寻访各位物理学大师。他首先来到德国的哥廷根和莱比锡短暂停留，有一次他在莱比锡参加物理会议，当爱因斯坦在台上演讲结束，主持人邀请听众提问，朗道站起来毫不客气指出爱因斯坦引用了一个错误的假设，甚至带有一些粗鲁而调侃的语气。演讲厅顿时一片寂静，其他听众瞠目结舌的看着他，心想这位年轻人也太不知天高地厚了。让人颇感意外的是，讲台上的爱因斯坦低着头沉吟良久，然后大气的说：“后面那个年轻人说的完全正确，大家可以把我今天讲的内容完全忘掉。”

朗道又来到哥本哈根，在玻尔的理论物理实验室呆了一个月，虽然他和玻尔的性格大相径庭，他却终身自称为玻尔的学生。

后来朗道意气风发的回到苏联，充满激情的希望为这个新兴的国家服务，他从心底赞同社会主义道路，但鲜明的棱角又让他和当时的一些当权者产生了矛盾。口无遮拦的朗道在“大清洗”运动中竟然将斯大林的政策比作纳粹，于是他被请去“喝茶”，在狱中老老实实的呆了一年。有意思的是，聪明的朗道提前预知了自己将被逮捕，于是立刻写了一篇预言中子星的文章加急“快递”给玻尔，信中用“春秋笔法”描述了自己面临的困境。玻尔也是聪明绝顶，秒懂，于是他立刻回信对朗道的文章高度评价。苏联的良心刊物《消息报》将朗道的文章和玻尔的回信一起发表，盛赞了朗道的成果，朗道立刻名誉全球。

果然，朗道入狱的事情震惊了物理学界，玻尔亲自写信给斯大林，请求赦免朗道。他在苏联的恩师、莫斯科物理问题研究所前所长卡皮查（在这之前，卡皮查已经将所长位置让给朗道）当时正好发现了超流体现象，急需理论物理人才，卡皮查于是也写信给斯大林，威胁说如果不释放朗道，他将辞职。

朗道终于被赦免，刚一出狱，他就以二流体理论成功解释了超流体。

朗道曾经说过：“漂亮姑娘都和别人结婚了，现在只能追求一些不太漂亮的姑娘了。”酸溜溜的话里，透出一股生不逢时之感，他话里的“漂亮姑娘”就是量子力学。朗道没有赶上量子力学的创立，当他开始科研工作时，重大的发现都已经被大牛们“撸”过了一遍。很多人认为凭借朗道的才气，早生几年绝对有可能挤进爱因斯坦、玻尔这样的大师行列。

天生我材必有用，在量子力学大厦建立起来以后，朗道还是尽其所能，为这座大厦增添了一根柱石，这就是统治金属电子学长达数十年之久的朗道费米液体理论，其基态加准粒子激发态的物理概念被引入到当代物理学的各个分支，包括凝聚态和高能物理。

而朗道关于对称破缺的二级相变理论是又一个与准粒子可以并驾齐驱的贡献，后面我们会谈到该理论唯象地解释了当时几乎所有关于超导的实验，而当二级相变理论被引入高能物理时，就诞生了希格斯粒子。如果你每年都关注诺奖，那你对这个粒子一定很熟悉。2012年欧洲核子研究中心发现了希格斯粒子，填补上了标准模型的最后一块基石，提出这一粒子的希格斯本人也因此获得2013年诺贝尔物理学奖。

安德森曾经帮我们小结过：“凝聚态物理有四个重要的概念，朗道贡献了三个：准粒子，序和对称破缺。”

好了，回到主题：超导。上面提到的那么牛逼轰轰的二级相变理论究竟是咋回事呢？

前面提到朗道跟着卡皮查研究超流体，我们上一篇中提到的液氦就是一种超流体，它的粘度为0，因此可以体现出各种神奇的异象，超导现象也算是其中之一。朗道自然不会对超导视而不见，然而即使如郎道般的睿智，在一番艰苦的尝试之后，他也终于承认，凭借自己的智慧，很难立即得到一个“知其所以然”的终极理论，只能通过各种现象归纳出一个“知其然”的唯象理论——他和金兹堡合作提出的GL二级相变理论。（Ginzburg–Landau理论）

这就好比没有牛顿的睿智去洞悉万有引力定律，更早时代发现的开普勒三定律仍旧非常有价值，对当年的天文学家来说已经够用了。。

考虑到本文的可读性，为了保住那有限的点击数，关于GL理论的一大堆公式我们就不抄了。

我们只需要知道：

1， GL理论再次证明了超导现象是一种宏观的量子现象。

2， GL理论成功解释了超导体几乎所有的性质，诸如热力学、电力学等。

3， 除了伦敦方程的穿透深度λ，GL理论又提出一个相干长度ζ。

4， 根据上一条，GL理论预言了第二类超导体的存在，关于这一点我们稍微多说几句。

在这之前，科学家们发现超导体不止有临界温度Tc，还有临界磁场强度Hc（有时写成Bc），如果外界磁场超过Hc，超导体将会被“击穿”，恢复到正常状态。这无疑限制了超导体一大方面的应用，我就是想用你来产生超强磁场，结果你自己却如此脆弱，好似一个承受不了自己体重的大力士，那我们要你有何用？

朗道和金兹堡观察到超导体的存在依赖于正常状态和超导状态之间的界面能，当时发现的所有超导体的界面能都是正的。找到这个规律之后，朗道和金兹堡指出，可能还存在一种超导体，它的界面能是负的。

好吧，超导磁体还有希望！

1952年，朗道的学生阿布里科索夫证明了这类界面能为负的超导体的存在，他称作“第二类超导体”，而之前界面能为正的超导体被称为“第一类超导体”。

阿布里科索夫继续研究这理论中的“第二类超导体”，他发现了一种混合态（ “元涡旋”），正想跟导师分享，但才华横溢的朗道这时却过于急躁了，暴露出了学阀作风，他仍旧认为能得到一种唯象理论已经不容易了，他竟然不相信他的学生能探索的更加深入，他于是催着学生将表观现象尽快发表，而不要去关注那些“伪科学”，阿布里科索夫只好将写好的论文放回了抽屉。

3年后，美国的费曼在一篇论文里也提到了“元涡旋”，朗道也认可了这一概念。这时阿布里科索夫才又找到朗道和导师探讨，关于“第二类超导体”的论文在被推迟了几年之后，终于得以发表。

在还没有任何证据的情况下，就敢提出“第二类超导体”的预言，这需要多么的自信？但这就是伟大的科学方法：根据现有信息进行归纳总结——提出理论，做出预言——新的发现证明或证伪——修正理论。

1961年，美国贝尔实验室的昆兹勒发现铌锡合金在强电流和磁场的存在下可以体现出超导性，这就是一种传说中的“第二类超导体”，理论的预言如此之快就成真了。

后来又发现铌、钒、锝这三种金属也是“第二类超导体”，而其他金属元素都属于“第一类超导体”，是否还有更多的“第二类超导体”存在呢？可惜在那个年代，后起之秀“BCS理论”更加成功，这个伟大的预言暂时被埋没了，还要等待20多年，才能迎来属于它真正的辉煌。

2003年，75岁的阿布里科索夫和87岁的金兹堡因在超导体和超流体方面所做的贡献而获得当年诺贝尔物理学奖。

和搭档都拿奖，朗道自己呢？

1962年，朗道遭遇了一场严重的车祸，他连续昏迷了两个月，全苏联甚至全世界的科学界都在为他祈祷，国外的一些致命医学教授都来到苏联为朗道会诊。最终，朗道的生命是保住了，但他的科学才华却似乎消失了，他再也没能重返科研领域。

然而这一年，诺奖委员会却似乎有了危机感，因为诺奖从来不颁发给过世的科学家，他们唯恐之前未获过诺奖的朗道某天真的离开人世，那就再也没有机会给朗道颁奖了。于是当年的诺贝尔物理学奖被“加班加点”的颁发给朗道，以表彰他对液氦超流理论的贡献。6年后，这位天才物理学家就去世了，年仅60岁。

好了，郎道算是研究超流体的高手，当时研究最多的超流体是液氦，其中几乎完全为同位素氦4。氦元素还有一种同位素氦3，当朗道看到氦3也能形成超流体的时候，他竟然也目瞪口呆了。

原来，氦4是玻色子，而氦3是费米子，之前超流体用玻色-爱因斯坦凝聚态来解释，但氦3明明不是费米子，为什么也能形成超流体呢？一个新的理论即将诞生。