室溫超導(dǎo)還會(huì)成功嗎？為什么說(shuō)室溫超導(dǎo)的本質(zhì)就是演生論？

最近疑似室溫超導(dǎo)的LK-99材料很火，土木老哥的嘴都能被釣歪了。

我原本計(jì)劃等這件事塵埃落定之后，才寫一篇文章講一下。但看目前這個(gè)進(jìn)展，沒有幾個(gè)月的時(shí)間是難以有最終的結(jié)果 ，有的測(cè)量出抗磁性，有的又沒有抗磁性，而零電阻測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也不一樣。

所以關(guān)于此次室溫超導(dǎo)，現(xiàn)在就不評(píng)論了，等后續(xù)驗(yàn)證就行

最近關(guān)于超導(dǎo)的科普太多了，這期文章的重點(diǎn)不在室溫超導(dǎo)，如果只關(guān)注室溫超導(dǎo)，那格局還是有點(diǎn)小了。如果LK-99最后獲得成功，這不僅只是室溫超導(dǎo)的成功，更是對(duì)演生論的最好驗(yàn)證。

而演生論在現(xiàn)代物理學(xué)地位尤為重要，甚至可以算是第三次科學(xué)革命。

演生論除了可以解釋凝聚態(tài)物理的超導(dǎo)現(xiàn)象，也能解釋廣義相對(duì)論的缺陷，以及暗能量等問題。

那什么是演生論呢？

首先演生論是相對(duì)于還原論而言的，前兩次物理學(xué)革命都是基于還原論而來(lái)的。

現(xiàn)在很多人思考物理問題依舊是還原論的思想。因?yàn)檫@是人腦自帶的最樸素的思想。

首先物理研究的對(duì)象就是物質(zhì)以及物質(zhì)的變化規(guī)律，在宇宙中，物質(zhì)的種類劃分極其龐雜，按物態(tài)劃分有固態(tài)，液態(tài)還有氣態(tài)，按元素組成劃分有金屬，木材，肉類。按導(dǎo)電性劃分有絕緣體，半導(dǎo)體和導(dǎo)體。物質(zhì)種類的劃分可以有無(wú)數(shù)種，這取決于劃分的方式。

而且這些物質(zhì)都在不斷變化，有量子糾纏，有空氣分子的布朗運(yùn)動(dòng)，又有光合作用，天體自轉(zhuǎn)，超新星爆發(fā)等等。

所以物理學(xué)家面對(duì)的如此龐雜的物質(zhì)變化規(guī)律就得用還原論的思想來(lái)解決。也就是不管是什么物質(zhì)，也不管是什么運(yùn)動(dòng)形式，我只需找到構(gòu)成這些物質(zhì)的最基本材料，以及控制它們運(yùn)動(dòng)的基本作用力，就可以全部推導(dǎo)出世間萬(wàn)物的所有現(xiàn)象。

所以物理學(xué)家一直追求尋找基本粒子，以及所有基本作用力。如今的標(biāo)準(zhǔn)模型就是干這個(gè)的。

在如今的標(biāo)準(zhǔn)模型的框架中，宇宙萬(wàn)物至少由61種基本粒子支配的。構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子由48種費(fèi)米子承擔(dān)。負(fù)責(zé)物質(zhì)相互作用的運(yùn)動(dòng)由13種玻色子承擔(dān)。

如果你認(rèn)為有了標(biāo)準(zhǔn)模型之后，從小尺度量子現(xiàn)象到大尺度引力現(xiàn)象幾乎都可以用這61種基本粒子解釋。

那這就是典型的還原論思想，先抓住最小，最基本的結(jié)構(gòu)，只要了解最基本結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和規(guī)律，就能反推出微觀和宏觀的所有性質(zhì)和規(guī)律。但這是一種線性推理的過程。

第一次物理學(xué)革命時(shí)，牛頓就是利用還原論這樣干的，先通過蘋果落地現(xiàn)象找到地球上的引力規(guī)律，并將其視為宇宙中最基本的作用力，繼而將這種引力作用反推到更宏觀的天體運(yùn)動(dòng)上，從而獲得巨大的成功。

但是牛頓的引力并不能解釋所有現(xiàn)象，比如后來(lái)麥克斯韋的電磁理論的光速問題，水星進(jìn)動(dòng)的宏觀現(xiàn)象，以及電子繞原子核的微觀現(xiàn)象。所以這時(shí)候就需要一種新的，更基礎(chǔ)的還原論的理論取代牛頓力學(xué)。

這時(shí)候相對(duì)論和量子力學(xué)就呼之欲出了。前者從宏觀尺度取代牛頓力學(xué)，后者從微觀尺度取代牛頓力學(xué)。

量子力學(xué)和相對(duì)論的建立是第二次物理學(xué)革命的成果，1915年，廣義相對(duì)論提出之后，相對(duì)論的大廈基本完成，到上世紀(jì)40年代，量子力學(xué)的大廈基本穩(wěn)固。但這時(shí)候物理學(xué)家還是抱著還原論的思想看待世界。

相對(duì)論將牛頓力學(xué)的還原論的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)已經(jīng)推進(jìn)到時(shí)空彎曲，量子力學(xué)將物質(zhì)構(gòu)成的還原論已經(jīng)推進(jìn)到基本粒子尺度。

相對(duì)論和量子力學(xué)建立之后，物理學(xué)的大廈好像貌似真的建成了，剩下的工作真的就應(yīng)該是縫縫補(bǔ)補(bǔ)的工作。因?yàn)橛钪嫒f(wàn)物的運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)幾乎都可以在相對(duì)論和量子力學(xué)中找到。終極還原論貌似已經(jīng)成功，只需利用還原論的思想從微觀規(guī)律反推就可以得出所有宏觀規(guī)律。

但是在1911年，人類第一次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，這也是人類第一次發(fā)現(xiàn)的宏觀量子效應(yīng)。當(dāng)時(shí)的量子力學(xué)是無(wú)法解釋這種現(xiàn)象的。因?yàn)榘凑樟孔恿W(xué)還原論的理論，電子在非真空的材料中運(yùn)動(dòng)時(shí)，必然會(huì)受到材料中原子的阻力，這就是電阻。

按照還原論的思想來(lái)理解，我們既然可以了解單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，那從單個(gè)電子推導(dǎo)到多個(gè)電子在材料中的運(yùn)動(dòng)時(shí)，就必然會(huì)得出電子群也會(huì)受到相應(yīng)阻力的結(jié)論。不可能出現(xiàn)無(wú)法預(yù)測(cè)出超導(dǎo)現(xiàn)象。

所以這時(shí)候還原論還對(duì)嗎？

既然我們已經(jīng)可以掌握微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，那為什么向上推導(dǎo)時(shí)，又出現(xiàn)預(yù)料之外的結(jié)果。

再后來(lái)，用量子力學(xué)的還原論推導(dǎo)不同尺度的現(xiàn)象時(shí)，出現(xiàn)了大量預(yù)料之外的現(xiàn)象，比如超流現(xiàn)象，量子反常霍爾效應(yīng)。

于是物理學(xué)只能針對(duì)這些新現(xiàn)象提出新的理論，比如朗道-費(fèi)米液態(tài)理論，bcs超導(dǎo)理論。但是這些理論都是唯象理論，不能深入到基層機(jī)制，只能解釋部分現(xiàn)象。

對(duì)于超導(dǎo)現(xiàn)象，bcs理論用兩個(gè)電子配對(duì)形成庫(kù)珀對(duì)，導(dǎo)致電子從費(fèi)米子轉(zhuǎn)變成玻色子來(lái)解釋。這個(gè)理論可以很好的詮釋部分超導(dǎo)現(xiàn)象，但是最近韓國(guó)的室溫超導(dǎo)材料，暫時(shí)還無(wú)法用bcs理論解釋。我們無(wú)法得知在室溫情況下，電子是如何形成庫(kù)珀對(duì)的。或許它們壓根就不是庫(kù)珀對(duì)，而是一種全新的現(xiàn)象。

如今，還原論已經(jīng)過時(shí)。用還原論解釋宇宙萬(wàn)物，甚至都沒有推導(dǎo)到宏觀尺度就得流產(chǎn)。

這時(shí)候就需要用演生論取代還原論。關(guān)于演生論，物理學(xué)家安德森有著極其精辟的解釋。

他認(rèn)為，由基本粒子構(gòu)成的，巨大和復(fù)雜的集聚體的行為，不能依據(jù)少數(shù)粒子的性質(zhì)做簡(jiǎn)單外推就能理解。

而正好相反，在復(fù)雜系統(tǒng)的每一個(gè)層次，都會(huì)呈現(xiàn)出全新的規(guī)律。而要理解這些新行為，所需要做的研究，就其基礎(chǔ)性而言與其他研究相比毫不遜色。他的意思就是說(shuō)，物質(zhì)在不同層次里面，實(shí)際上有它自身的規(guī)律。而且就重要性也都是平等的，沒有誰(shuí)更基礎(chǔ)一說(shuō)。

關(guān)于這些層次，簡(jiǎn)單講，有很多種方式可以劃分這些層次。最簡(jiǎn)單的劃分至少有三種層次。分別是空間層次，時(shí)間層次和關(guān)聯(lián)層次。

通俗來(lái)說(shuō)，即便我們知道構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和性質(zhì)，但是通過這些規(guī)律也無(wú)法線性推理出粒子之間相互關(guān)聯(lián)時(shí)產(chǎn)生的新的性質(zhì)。甚至新的性質(zhì)和基本粒子的基礎(chǔ)性質(zhì)截然相反。

如果粒子多樣性和復(fù)雜度在空間層次越來(lái)越宏觀，性質(zhì)又會(huì)大變。

比如微觀世界的量子疊加態(tài)，在宏觀尺度上幾乎就會(huì)消失殆盡。物質(zhì)性質(zhì)從量子疊加態(tài)變成確定的本征態(tài)，描述它們的理論就會(huì)從量子力學(xué)就會(huì)過渡到經(jīng)典力學(xué)。

而在時(shí)間尺度上，短時(shí)間的粒子性質(zhì)和長(zhǎng)時(shí)間的粒子性質(zhì)也截然不同，比如基本粒子會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生隨機(jī)的量子疊加態(tài)的坍塌。

這就是演生論，物質(zhì)的性質(zhì)在不同尺度，不同時(shí)間，和不同復(fù)雜度(關(guān)聯(lián)性)狀態(tài)下，會(huì)出現(xiàn)截然不同的性質(zhì)。新的性質(zhì)是無(wú)法用還原論推導(dǎo)出來(lái)的。

因?yàn)樾聦哟萎a(chǎn)生的新規(guī)律，和更小層次的規(guī)律是平級(jí)的，沒有誰(shuí)更基礎(chǔ)一說(shuō)。

演生論通俗比喻來(lái)說(shuō)，一顆糖是甜的，兩顆糖放嘴里就不是2倍甜，而可能是任何一種其他的味道，比如辣味。而三顆糖放嘴里可能是未知的味道，也可能無(wú)味。

認(rèn)為兩顆糖放嘴里是二倍甜就是典型的還原論的思想，而兩顆糖放嘴里出現(xiàn)辣味就是演生論。

所以在演生論中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)超越理論的存在，因?yàn)樗械奈ㄏ罄碚摚举|(zhì)都是局限性還原論，只適用于部分現(xiàn)象，物質(zhì)在新的層次出現(xiàn)的可能現(xiàn)象很難預(yù)料，并且會(huì)顛覆原有的理論。

就拿最近的室溫超導(dǎo)來(lái)說(shuō)，如果LK-99材料為真，那它就已經(jīng)脫離現(xiàn)有理論框架了，因?yàn)楦鶕?jù)BCS理論的預(yù)測(cè)，常壓下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度不能超過40K。

后來(lái)1986年發(fā)現(xiàn)的銅氧化物材料和2008年發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)材料就已經(jīng)超出bcs理論的解釋了。

由于演生現(xiàn)象的存在，新超導(dǎo)材料甚至?xí)霈F(xiàn)在理論指導(dǎo)下做不出，反而失誤操作，或者無(wú)意摻入雜質(zhì)就成了的怪異現(xiàn)象。

于是就有人調(diào)侃，發(fā)現(xiàn)新超導(dǎo)材料的第一定律就是遠(yuǎn)離理論物理學(xué)家。

由于演生現(xiàn)象的存在，我們可能就無(wú)法利用一種所謂的萬(wàn)有理論，解釋宇宙萬(wàn)物的所有現(xiàn)象。

為了描述演生過程中突然迸發(fā)的未知現(xiàn)象就得發(fā)展新的學(xué)科，現(xiàn)在的凝聚態(tài)物理，拓?fù)淅碚摚煦缋碚摼褪茄萆摰淖詈迷忈尅?/p>

我們現(xiàn)在大部分時(shí)間都是將演生論利用到次微觀尺度，也就是從粒子尺度到大分子尺度。然而在超宏觀尺度，演生理論可能會(huì)再次發(fā)揮作用，這就暗能量問題。

暗能量的本質(zhì)就是一種斥力現(xiàn)象。這也是現(xiàn)代物理學(xué)天空最大的一朵烏云之一，如今我們只能知道宇宙中存在引力作用，但為什么在超宏觀尺度上，宇宙在膨脹，星系之間的距離在不斷拉大。

之前我們用大爆炸的余威解釋宇宙膨脹的原因，這就意味著宇宙在減速膨脹，但在1998年，天文觀測(cè)通過1a型超新星爆發(fā)發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹。所以這就不得不尋找新的機(jī)制解釋宇宙加速膨脹。這種機(jī)制就是假設(shè)宇宙中存在均勻分布的暗能量，它充當(dāng)斥力的作用，讓宇宙加速膨脹。

從室溫超導(dǎo)到暗能量上，都是演生論在發(fā)揮作用。我們能接受在微觀尺度上發(fā)生的各種演生現(xiàn)象，為什么就不能將其利用到超宏觀尺度上呢？

宇宙在不同尺度表現(xiàn)的性質(zhì)可能截然相反，多個(gè)粒子相互作用可能會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，而宇宙在的超宏觀尺度也可以出現(xiàn)以引力截然相反的斥力現(xiàn)象。

層次不同，性質(zhì)不同是演生論的核心觀點(diǎn)。此前，我們總是喜歡找到簡(jiǎn)而美的萬(wàn)有理論，利用萬(wàn)有理論從還原論的思想推導(dǎo)宇宙中所有現(xiàn)象，仿佛只有這樣，物理學(xué)大廈就能建成，這樣我們就可以萬(wàn)事大吉，一勞永逸。

其實(shí)這種思想反而束縛了科學(xué)的發(fā)展，因?yàn)檫@樣一來(lái)，我們可以利用的自然規(guī)律就越少，科技水平就越存在上限。反而不同層次的物質(zhì)性質(zhì)越不一樣越好，這樣我們可以利用到自然規(guī)律就越多，就越能創(chuàng)造新的科學(xué)，不斷創(chuàng)造新的事物，推進(jìn)人類文明。