(实验提供的)宏观量子现象告诉我们在能隙下的电子是长程有序的, 意味着电子之间有相互作用. 但长期以来人们认识到电子间只有库仑斥力(因为电子都带负电荷), 然而排斥作用只能使体系能量升高, 只有电子间若存在吸引力才能使体系能量降低. 但电子间怎么能相互吸引呢(这岂不是同性恋嘛)?
(待续..... just kidding)
1950年, Herbert Frohlich (年轻的德国犹太裔物理学家, 'o'上面应加两点, 1991年逝世, 此人我们后面还要提到) 提出: 电子-声子(即:晶格振动模式的量子)的相互作用能把两个电子耦合在一起, 这种耦合就好像两个电子之间有相互作用一样(声子做媒婆). Frohlich是用量子场论的方法描述这种相互作用. 值得注意的是, 凝聚态物理往后经常使用场论的方法, 而且, 这个影响不是单向的, 即: 研究基本粒子的量子场论也曾发现过首先在凝聚态物理中被提出的"粒子"(这儿的所谓粒子当然是一种抽象). 这绝不是简单的巧合, 而是背后有深刻的物理意义, 因为真空并不是一无所有的顽空, 而是一个(有结构的, 有内在联系的, 沸腾的)凝聚态. 好了, 不扯远了, 回到Frohlich的idea. 为了明确其物理图像, Frohlich 给出如下的一个物理模型.
考虑一个整齐排列的晶格点阵. 因为在这儿不容易用文本画出整个图像, 只好请大家发挥想象力, 想象红场上有排列整齐的士兵方阵, 兵与兵的间距十米, 把这个阵列当作晶格点阵. 随意穿梭其中的是一些俄罗斯美女(即:自由电子), 总人数等于士兵的人数. 注意: 整体材料是电中性的, 而自由电子带负电, 所以晶格带等量的正电. 好, 我们来看一个例子: 假设Anna 漫步其中, 只见她: 眼睛象抱朴仙人所说的马里亚纳海沟处的海水那样的深蓝, 澄澈; 头发象深秋的麦浪那样的淡金色; 身材如白桦树那样的颀长挺拔. 她所到之处无不引起士兵们微微的骚动. 由于军纪约束, 士兵不能移动位置, 但他们的身子却不由自主地向Anna倾斜(晶格畸变). 香风一阵, Anna走过去了, 而此处的 士兵们还没回过味来. 这时另一个美女Erika (只见她: 翩若惊鸿，婉若游龙。荣曜秋菊，华茂春松 ...) 打旁经过, 她一看, 咦, 这些帅哥们都在瞅着这个位置, 而这里现在并没有人, 那我就从这个天然搭好的戏台过, "践椒涂之郁烈，步蘅薄而流芳." 所谓"天上一轮才捧出，人间万姓仰头看." 嘻嘻. 也就是说, Erika受到了由Anna造成的晶格畸变的吸引 (而她们之间本来由于瑜亮情节,多少有点妒意).
这个晶格畸变可以看成一个中介的声子. 用场论的语言就是: 电子Anna发射一个声子q, 另一个电子Erika吸收这个声子. Frohlich 的这个简单模型说明有可能造成电子间的相互吸引而降到一个低的能态. 当然, 后面要解释的事情还很多, 我们就不详述了. 7年后, BCS理论详细地阐述了超导电性的机制, 巴丁, 库柏, 施里弗 为此得了诺贝尔奖. 因为一个奖项最多只能颁与三人, Frohlich未能获此殊荣.
好, 总结一下, 两个电子结合成一对, 声子起中介的作用. 也即, 若将该电子对视为一体的话, 声子对它就没有净的作用. 即: 这对电子可以不受晶格的散射. 故而它们是超导电子.
一个超导体是可以有宏观尺寸的, 许多的超导电子弥漫其中, 故而这是宏观量子效应.
我们已经提到了几种宏观量子现象: 玻－爱凝结, 超流, 超导. 这些现象都需要低温条件才能发生, 因为它们都是处于平衡过程, 为减少会破坏宏观量子态的外界干扰, 只好降低温度. 那么, 有没有室温条件下的宏观量子现象呢? 答案是有! 是什么呢? 有奖竞猜 (其实文科生也熟悉这个名词的). 怎样能维持这个宏观量子态, 使之不受外界干扰的破坏呢? 答案是: 用非平衡过程, 也即: 需要外界提供能量以维持其运作 (就像生物体会消耗能量一样). 答案已经呼之欲出了...
(待续)
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P.S.
1. 这个标准答案并不涉及生物, 但我的目的是要引到生物上去. 上文最后一个括号可不是随意的类比, 而是有深刻用意的.
2. 为描述方便, 小僧的例子中不得已涉及帅哥美女. 罪过罪过. 诸位看官还是莫要忘了"色即是空, 空即是色"的道理呀.
