极寒超导与炽热幻想：
科幻作品中的超导材料
（节选）
文/杨贵福
踏空而行, 无所凭恃地悬浮，这是人类长久以来梦寐以求的向往。科学家致力于寻找各种新的原理，工程师努力制造各种新的材料，试图在现实中再造神话里的自由境界。科幻作家们也不断描写尚未成熟的新技术在生活中的各种可能，创造新的神话，所展现的效果在奇妙的未来世界中比现实更加蔚为壮观。
不过回顾百年以前的作品，所有的幻想都不够完美，因为无一例外受到了外物的限制。
鲁班的木鹊三天不落，需要乘风而飞，不够逍遥。齐柏林飞艇、《气球上的五星期》《神秘岛》中在暴风雨的大气层里的漂流，人缩在吊篮之中挂载在遮天蔽日巨大的气球下面，虽然也高飞九天，但是总欠缺了一些灵动。海底的鹦鹉螺号，只需要吸入或吐出周围的海水，通过调节“鳔”的体积改变自身的平均密度，就能实现升降或静止，更符合悬浮的感觉。唯一遗憾的是鹦鹉螺号的悬浮只能在水中而非虚空。《从地球到月球》中的空腔炮弹如果不考虑起初的动力来源，《猫城记》中的飞机不考虑空气动力学，那么勉强可以算作踏空而行吧。
*由儒勒·凡尔纳第一篇长篇小说改编的同名电影《气球上的五星期》
俱往矣。
1911年荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）发现了新的材料特性“超导”，在4.2K（-268.95℃）温度下，浸于液氦中的固态汞导线的电阻突然消失。1933年德国物理学家瓦尔特·迈斯纳（Walther Meissner）和罗伯特·奥克森菲尔德（Robert Ochsenfeld）发现锡和铅在低于超导转变温度时，内部的磁通量被完全排出，从而导致外部磁场增强。因此，在磁场中超导体可以对抗重力悬浮不动。这一现象比零电阻更加直观，更引人注目，因此常用于演示。科幻作家们的悬浮想像也因此更具可行性，沿着超导体抗磁性这个技术路线大放异彩。
超导体在磁场中梦幻般悬浮着，这著名的迈斯纳效应正是科幻作家们渴望表现的场景，更何况还伴着为冷却超导体保持低温而缭绕的雾气，可谓仙境。
磁场在视觉上是不可见的。我们无法用肉眼观察到遍布整个地球空间的地磁场，只有当地磁场偏转太阳风的高能粒子轰击电离极地附近的大气，绚烂的极光才提示我们地磁场无处不在。我们也无法直接看到萦绕在指南针周围的磁力线，磁场有质无形，无法凝视，不能触摸，却每时每刻牵动着磁石不指南方不肯休。正因为磁场不可见，所以借助磁场悬浮之物如同虚空之中，格外令人向往吧。
在宇宙遥远的尽头，潘多拉星球的水气氤氲中，特别是靠近矿场的地方，我们看不到强烈的磁场如弓弦绷紧，在熔炉般的天地间切割万物。人类，甚至我们所知的每种生灵都无法在这样的环境下生存。哪怕几厘米的移动，活的生物神经中所载的电流或电荷运动，都会因切割磁场而承受巨大的安培力，束缚住每个微小的运动，甚至扼杀运动的“念头”。人类或设备中都密布着传送能量和信号的“网络”，当这些线路运动时，切割磁力线引发的感生电流强大到足以击穿线路本身。强磁场在潘多拉星球无处不在，磁力线隔空刺穿万物，因此人类只有借助遥控当地土著的躯体才能在这磁场的巨涛汪洋中行动。在看不见的磁场洪流里，有神奇的巨石大山悬浮在虚空之中，主角们的战斗和爱情正是在这样的场景中展开。
磁悬浮，在现实世界已经得到广泛应用。截至2021年，我国已有3条商用磁悬浮线路，规划中的线路达1300千米，时速600千米的高速磁悬浮交通系统已在青岛成功上线。磁悬浮依靠的是磁性“同性相斥、异性相吸”的原理克服重力，实现无接触的悬浮和导向，与超导现象无关。磁悬浮现象的轨道和列车，二者都是磁体，使用永磁或电磁维持磁场，受力大小取决于不同位置的磁力线疏密。
超导体排出了内部的全部磁通量，因此在磁场中的任意位置都可以形成磁场，把自己固定在那里。超导体相对磁体无接触地锁定位置，不仅可以在上方受到“推举”，也可以在下方悬挂，在侧面稳定，可以旋转任意姿态角度并保持静止。超导的列车在轨道的磁场中会在即将脱轨时自动保持自己的位置。
超导体抗磁性的悬浮无拘无束，如此富有魅力，所以不少科幻作品都把它作为背景板，用来展示未来科技的力量。在影片《回到未来》第2部中，主角脚踏悬浮滑板和不良少年们在街道和公园里追逐，展现出高超的技艺和智慧。编剧不管要求主角使用什么技术与不良分子为敌，也许都是为了让观众更加具体地感受主角的正义善良。不过，对观众来说印象更深刻的可能反而不是角色的特质，而是悬浮滑板本身。
《阿凡达》中的物质Unobtanium在现实中并不真的存在，然而也不是作者随意编造的。似乎遵循了某个惯例，具有神奇优异品质的物质如果非常难得，在科幻作品中它的名字就可能叫做Unobtanium。拆解开的话，这个词是un-obtain-ium，不妨逐段直译为“不容易-取得-的元素”。在2003年的影片《地心抢险记》里，深入地核所仰赖的载具壳体就是由同名的物质制造的。这种Unobtanium材料在对抗地核中的高温高压时能保持强度而不融化。笔者猜测这并非潘多拉星球上的常温超导体，只是碰巧同名。
磁悬浮在很多情景下可以替代超导抗磁性，足敷使用，为什么还要万里涉险去潘多拉取得这种不容易取得的“元素”呢？
因为它有更优异的特性。
磁悬浮通常不选用永磁铁，如钕铁硼稀土。线圈通电可以产生更强和更灵活可控的磁场，此刻安培定则正在物理课本里熠熠生辉。然而，另一个定律也同样光辉夺目，令人不能忽视，那就是欧姆定律。无论多么纯的铜线，甚至换成更优秀的材料银，电阻率也仍然无法为零。当电流通过，构成线圈的导线发热，难以释放的高温在严重情况下会融毁线圈甚至整个装置。这种发热是由一种能量形式“电能”转换成的另一种能量形式“热能”，这表示有相当一部分电能并未用于产生磁场，导致功率损耗。电流强度越高，磁场越强；不幸的是，电流强度越高，电阻导致的发热增长也更快，且比例按平方增长。强磁场我所欲也，不发热亦我所欲也，二者不可得兼。
…… ……
科幻作家不禁会想，如果在未来找到了常温超导体会如何？那么，散热问题就不再是核心矛盾。大电流、强磁场，以及此前“难以获得的元素”才能带来的效益都变得唾手可得。在电影《2001太空漫游》中,位于第谷环形山附近的独石（又译为黑石）发射出强大的电磁波束，直指木星。
在真实世界的猎户座计划中，从依赖核裂变可达光速3%～5%，到借助反物质可达光速50%～80%的技术方案，超导线圈都不可或缺。超导超级对撞机（Superconducting Super Collider，SSC)也在现实世界中存在。这些现实本身就很科幻！
*超导超级对撞机
超导体不发热，因此不必为散热头疼，一举解决了计算机核心部件无论CPU还是GPU的重要难题。所以，在影片《终结者》里，施瓦辛格扮演的终结T-800赛博汀系统101型机器人并没有顶着高速旋转的风扇或者水冷装置。
超导体可以作为盾。像CRT显示器偏转电子流，像地磁场偏转太阳风，用超导线圈形成的磁场可以偏转宇宙航行中的宇宙射线和带电尘埃。现实世界中，2012年欧洲核子研究中心CERN提出的欧洲空间辐射超导护盾（European Space Radiation Superconducting Shield，SR2S）用超导线圈产生磁场，偏转高能宇宙射线，从而保护星际航行中的宇航员。
超导体也可以作为矛。进攻是最好的防守，既然高功率能形成防守的盾牌，当然也能形成长矛这样进攻的武器。
…… ……
在超导的诸多特性中，有一个有意思的地方——突变。电阻并非随着温度的变化而逐渐下降直至无法测量，而是在某个温度陡然达到零点。抗磁性也在某个低温突然显现。这种突然变化暗示着底层有不同寻常的机理。超导，以及同样在低温下突然出现的超流体现象，都是微观的量子物理在宏观上的表现。因此，用量子物理解释超导，以及用量子物理构造基于超导的新器件，在真实世界中不可避免地发生了。有两个物理现象最能体现超导的宏观量子特性。其中之一是磁通的变化并非连续，即磁通量子化,另一个是约瑟夫森效应。科学家和工程师精心构造了名为约瑟夫森结的器件，两块超导体夹住极薄的势垒层，电子有一定概率既在这里、同时也在那里，因此可以从一块超导体隧穿到另一块超导体中。
…… ……
科学家还在探索和应用超导的量子效应中艰难跋涉，科幻作者已经开始幻想未来的美好岁月了。我们回顾撷取一些篇章吧，甚至不妨更无羁地牵强解读延伸一下，用超导给各种奇妙想像以科学的可行解释。
《星际迷航》中小巧到医生可以手持，强大到能检查人体、修复各种致命伤的设备，可能不仅基于超导体零电阻不发热这一特性，量子效应一定也在其中大派用场。
…… ……
在《拯救计划》中，主角与外星人的沟通从双方的共同之处开始，即相互确认宇宙普适的物理定律以及统一对化学元素之类的称谓，借此定义一系列共通的术语，再通过术语构建复杂的描述或意图。
…… ……
我们的脑洞还可以开得更大一些。
在《哆啦A梦》中，可以对无生命的物体催眠，让它以为自己是另一种物质。有人提到可以把铜催眠成超导体。为什么原材料非得是铜呢，我们甚至可以把绝缘体、生命体催眠成超导体。既然已经进入量子效应这么底层的领域，电阻不仅可以降低，还可以从有到无，发生质的变化。科幻作者会设想，在这样的世界规则下，人物将如何行动？
*《哆啦A梦》中对无生命的物体催眠
只要有了这一点开端，想象便可以蔓延开去，没有尽头。在科学和技术彻底否定它之前，我们都可以借这一微小的端点作为踏板，尽情翱翔天宇。
超导体的反面，超绝缘体，具有什么样的性质，可以应用于哪些场景，在这样的场景下会有什么样的故事？
将超导体的零电阻作为原点的话，向另一个方向延伸，如果电阻为负值呢，能量由何处创生而来，在那样的世界中，会有怎样的传奇和爱恨交织？
自由的想象让我们总可以再进一步，走得更远，永不停歇，即使超导的特性和它在人类历史上的应用仅仅刚冒出极小的萌芽。
如果制造出一种材料，在室温下也不失去超导特性，将如何改变这个世界？
●新工业
如果温室超导体的成本没有贵得离谱，那么所有现在使用超导技术的工业装置的成本都会因为不再需要制冷装置而急剧下降。此外，装置还会迅速小型化微型化，使其应用范围更广泛、更日常。
…… ……
●新技术
在电子学和传感器领域已经存在基于超导材料的器件，如果解除了温度限制这一枷锁，会有更多深入研究的机会。
…… ……
●新科学
现有科学研究有诸多领域依赖超导，却都因为温度而受限于成本和实验条件的约束。其中最著名的有高能物理领域的大型粒子对撞机、人类翘首以待很久的受控核聚变，还有正在起步的量子计算。
…… ……
室温超导一旦成真，无论对工业领域、技术发展，还是科学探索，都将产生不可估量的影响。恐怕此时预测最准的不是科学家，而是科幻作品。科幻作品带着一丝浪漫情怀，与室温超导一样，帮助人类磨砺更锐利的锋刃，剖开底层世界内部微小的粒子；燃起人类去探索无穷的欲望，引导我们望向外界宇宙更遥远的深空；张开更强的弓，用轨道炮、线圈炮、超导发动机把我们送至彼岸。
