我们对超导的理解有多深，误解就有多深

最近读了一些超导相关的文字，起因是听了薛其坤院士的讲座。薛老师最近的工作是从实验角度“证伪”当下主流的“高温超导机制”，所谓磁机制/强关联机制。超导现象是一种颇为Universal的物理现象，它被一种物理机制解释要比被几种物理机制解释舒服，因此薛老师倾向于认为高温超导也可由常规超导的BCS机制予以解释。

在薛老师的讲座中，还提到了一个大胆的人，J E Hirsch，他不仅否定当下主流的高温超导机制，他甚至还否认了经典的常规超导机制（BCS理论），这个人是超导研究领域里的老兵，最早研究强关联机制的科学家之一，但他后来比较青睐自己研发的“空穴机制”，并且认为“空穴机制”不但对高温超导负责，还是常规超导体的关键。所谓一种现象，相同的机制，超导现象将统一地由“空穴”超导予以解释。

J E Hirsch: 我的H-因子比你高。

J E Hirsch是被证明了的优质科学家，他最著名的工作甚至还不是超导，他泡制了科学论文引用的H-index，这是被目前科学界/科学计量学界普遍采用的评价体系。但问题是H因子高，就意味着工作更可信吗？J E Hirsch认为我们关于超导的理解可能恰恰是被H因子高的物理学家们误导了。

最近，我翻阅了J E Hirsch写的大作《 Superconductivity Begins With H 》，在这本书里面Hirsch认为我们对超导的理解和对超导的误解都源自字母H开头的人或物，该书的副标题是：Both Properly Understood, And Misunderstood: Superconductivity Basics Rethought。显然Hirsch是H开头的，H-index是H开头的。空穴，Holes，也是H开头的，不得不承认Hirsch很有点小聪明/冷幽默。

该书的封面有两个人的头像，左边的那个是海森堡（Heisenberg），海哥是量子力学的缔造者，同时他还首创了固体中空穴的概念。这里我就有点迷惑了，因为在我的理解里空穴的概念难道不应该和伟大的狄拉克永久挂钩吗？显然，这里Hirsch只是为了凑他H开头的噱头，我们把海森堡划掉。封面右边那个是Herbert Fröhlich，这位的名是H开头的，但Hirsch和海森堡是Family name是H开头的，此处又是强行关联，但Fröhlich不是我们能划掉的人物，因为在Hirsch眼里Fröhlich正是造成今天我们对超导误解的罪魁祸首，并且疑似还是以学术不端的方式造成的（涉嫌撒谎）。

Hirsch在他的书里排了个超导恶人榜，里面几乎都是赫赫有名的大人物，在Hirsch看来这些人不但把超导研究引向了邪门歪道，同时还打压了不从众物理学家对正确理解的探索，这听起来有点“学霸”。Fröhlich自然在这个恶人榜上排名第一，所谓始作俑者嘛。从左至右，排第二的是Neil Ashcroft，第三的是Doug Scalapino，第四是Phil Anderson，第五是Marvin Cohen。这五大恶人H-因子算个平均数，妥妥地比Hirsch高很多很多（此处需要把Hirsch关于H-因子的论文拿掉）。

Neil Ashcroft（左二），最著名的是他和Mermin合写的固体物理砖头书，业内必读书。他是坚定的BCS派，按照BCS理论，有所谓同位素效应，简单说固体中离子质量越小，超导转变温度就越高，基于此Ashcroft推测金属氢应该具有最高的转变温度，常温常压是气体，没关系，那就常温高压压成固体。基本上就是这么一个简单的思路，目前有不少研究是执拗地在往这个方向走的，最新的新闻是撤了一篇稿子。

Doug Scalapino（左三），老资格的超导物理学家，灌水大师。为了帮助大家理解Doug的工作，提供业内最常见的黑话，“调一下参数，什么结果我们都能给模拟出来”。

Phil Anderson（左四），著名的安德森，《More is Different》的作者，凝聚态物理学祖师爷，高温超导磁机制/强关联机制/自旋液体/RVB概念的首创者，我推测安德森上恶人榜的主要罪状应该是“一手遮天”，按Hirsch转述的安大爷在其主页上的介绍是：

    I am a condensed matter theorist, a field in which I played the role of a major agenda-setter for 40 or so years.

翻译过来就是：“我，安德森，凝聚态之王，统治这片土地已经40多年了。”

不过老安是凭实力“霸道”，个人还是很崇拜他的。不过我1000%同意，必须打破这种偶像崇拜，才可能在纯科学的领域做出重要的进步。

Marvin Cohen（最右），据说算了很多材料的超导转变温度，为了理解他的工作，请大家参考对Doug的评价。同时再补充一句超导领域内实验物理学家对理论物理学家的评价，“不要相信他们的计算”，这句对以上所有人都适用。（再附送一句理论家文小刚的自辩：“新颖比正确更重要”。）

下面我们来看看五大恶人之首Fröhlich对超导做了些什么。

超导现象是1911年由翁纳斯发现的，其两大特征是1.（在转变温度以下）零电阻，和2.完全的抗磁性（迈斯纳效应）。这本身是个宏观量子现象。诡异的是，超导现象已发现100多年，但关于超导的物理解释物理学家内部仍未达成共识，这是很罕见的。通常一个新奇的现象被发现之后，物理学家会像疯狗一样扑上来撕咬，三下五除二，问题就解决了，然后Move on。

如果没有Hirsch这样天真的人（喊出皇帝没穿衣服），我们会以为至少对常规超导体而言，BCS机制是已经被牢牢确立的。因为我们是在教科书里学到BCS机制的，他适用于金属/合金，最新的MgB2被认为也适用于BCS机制。

图中：绿色虚线圈代表常规超导体，其超导转变温度不高，最高的也小于40K；红色圈圈里的是非常规超导体，大部分是氧化物高温超导体，转变温度最高的有接近200K；红色虚线圈圈里的是待定。

凡是教科书里学到的都是100%正确的，我们的使命只是如何去理解他们。BCS就是这样一个理论。这可能与长期存在于物理学界的“创新崇拜”有关，所谓“创新崇拜”就是“贬低理解，强调创新”，极度鄙视重新发明轮子。像BCS这种带着固体物理/凝聚态物理最典范性工作桂冠，能解释多个关键实验（但Hirsch认为不能解释迈斯纳效应），数学基础为最新的量子场论（普通人看不懂，实验家不会算），刚刚提出即或诺奖，你去质疑，投入精力，确实不如——好好学习，接受它，并在此基础上干活——更符合理性。

当然历史上并不缺乏与BCS竞争的理论，比如玻恩-程开甲曾有过一个比较小众的理论，甚至大神爱因斯坦也有一个，但为什么BCS会赢呢？

物理学家长期以来有一种怨念：能预言实验现象，然后日后被实验验证的理论，就是最高明，也是最可信的理论。实际上粒子物理一路上就是这么发展起来的（比如狄拉克的空穴或正电子）。但问题是粒子物理是很干净的物理，“理论-实验”之间良性的互动比较容易建立。而固体物理/凝聚态物理是很脏的物理学，即影响实验结果的因素非常非常多，而且不可预知。实验是否可靠，理论是否过度拟合，是否巧了等等。这太复杂，太脏了。

简单说，就是如果你先知道实验现象，然后提出一个可以解释这个现象的理论，是比较容易的工作。但反过来，先有理论，能够预言实验现象，并被其后的实验所证明，就非常难，如果发生了，则会被高估，被大家过度重视。

BCS机制的核心是电子通过交换虚声子（固体中离子的集体运动）而获得有效的相互吸引。如果这样的话，超导现象就会和离子的振荡有关，而离子的振荡决定于离子的质量。此处可以回忆一下弹簧振子的运动，一方面和弹簧的弹性系数有关，另一方面就和振子的质量有关。这与前文提到过的转变温度Tc的同位素效应有关。

Fröhlich是最早写出电子-声子相互作用的物理学家。此处略去数学形式，感兴趣的同学可以翻阅随便一本固体理论的教科书（比如：李正中的经典教材）。

Hirsch对Fröhlich的指控简单说就是，他怀疑此人提前几个月通过一次会议知道了同位素效应有关的实验，然后搞出了一个可以解释同位素效应的论文投稿。与此同时他泡制了一个他事后才读到相关实验文章的传说，并声称他的文章恰好可以解释同位素效应。（原来还有这好事儿。）

而同位素效应本身的发现在Hirsch看来也是一种巧合，人家本就质疑BCS机制，同位素效应在他看来根本就没抓住超导的本质，自然有的材料符合（如图：Hg, Pb，对应的纵轴需要是0.5），有的还不符合（比如夸张的Ru），假如最初我们实验上测的是不符合同位素效应的那些材料呢？（换句话说：假如我们是先发现的非常规超导体，我们还会有奉若神明、不容置疑的BCS理论吗？）

可惜，历史无法假设，Fröhlich的工作一旦发表，并被赋予能预言同位素效应的光环，巴丁-库帕-施里弗（BCS）三人组就迅速地把一个基于场论语言的超导理论搭建起来了，这里有库帕对，有超导能隙等关键概念，并很快被超导隧穿电子谱所证实。巴丁本人都认为这是一个远比发现半导体更伟大，更物理的成就，不出意料，他拿了两个物理诺奖（前面提到的恶人Doug是巴丁的助手之一）。

Pb的隧道电子谱实验（Pb/MgO/Mg隧道结），横轴电压存在一个临界值Uc，这是存在超导能隙的直接证据。曲线在达到峰值后右侧还有一系列涟漪，能够被更精细化的BCS-赋能的理论计算解释。完美！

Hirsch所说的对超导的误解就是这么来的，一旦一个理论被大家普遍接受，物理学家就没有动力再去审查或反对它了，即没人再去发展新理论了。另外也没人真的去用这种理论去计算很脏的凝聚态物理实验的方方面面，按劳克林在《不同的宇宙》里的说法就是，那些细节，你直接去测它们不香吗？为什么要用理论去算呢？（原话是朗道说的：你可以计算水的性质，但你为什么不直接去测一下？）

那么一个成功的凝聚态理论能给我们什么呢？首先肯定是“正确”地理解物理现象，按Hirsch所说，我们已经被Fröhlich等一系列恶人误导了，正确的理解在少数派手里。其次，理论应该告诉我们去测哪些物理量，做哪些实验，然后把这些离散的物理量和物理测量联系起来。这其实就是把理论当工具（地图）去用，从实用主义的角度说，这里没有本质，也无所谓正确的理解，反正能用，能让大家开会/沟通交流就好。

随着时间的发展，当这个领域越来越混乱的时候，大家就会考虑换地图了。

那么现在超导的地图是什么样呢？

主流的看法是：BCS/电-声子机制适用的叫常规超导体，BCS不适用的叫非常规超导体，氧化物高温超导体是非常规超导体中最重要的一类。解释非常规超导体最主要的就是磁机制/强关联机制。一个现象，两个解释，这让人觉得很不舒服。总的来说这个领域，目前比较停滞。但新的超导材料还在层出不穷的被发现（按前文所说，这本身就是一种不稀罕的“普遍”现象），比如铁基、镍基、扭转石墨烯等。

暂时没有一幅统一的地图。

作为外行的我也不知道啥时候现在这个常规/非常规两开花的地图就被放弃了。

参考：

Superconductivity Begins With H: Both Properly Understood, And Misunderstood: Superconductivity Basics Rethought