图:Woodruff T. Sullivan / NRAO/AUI/NSF,1980 / CC BY 4.0
维塔利·金兹堡
Vitaly Ginzburg1916–2009 · 生于苏联莫斯科 · 苏联 → 俄罗斯
妻子被流放让他丢了涉密资格,他说这反而救了他
诺贝尔物理学奖 2003 对超导体与超流体理论的开创性贡献
「我是个无神论者,而且我不明白,一个受过教育的人怎么可能相信那些东西。」
—— 2007 年接受《消息报》采访时的表述,据俄文原文意译
1950 年,超导现象已经被发现三十九年,仍然没有理论。BCS 要到 1957 年才出现。
金兹堡与朗道在这一年做了一件当时看来有点取巧、后来被证明极其高明的事:他们绕开了微观机制。
不问为什么,只问是什么
他们的做法是引入一个复数函数 ψ,叫序参量。它没有明确的微观含义,只是用来刻画「这一点有多超导」——ψ 为零就是普通金属,ψ 不为零就是超导态。
然后把体系的自由能按 ψ 展开成幂级数,只保留最低几阶,再加上电磁场的耦合项。剩下的是纯粹的数学:对自由能取极值,得到两个方程。
这套理论一下子给出了此前算不出的东西:超导-正常态界面的能量、磁场穿透的深度、临界磁场随温度的变化、薄膜的性质。
BCS 1957 年从微观出发解释了配对机制之后,戈尔科夫证明金兹堡-朗道方程可以从 BCS 推导出来——它不是近似,是 BCS 在临界温度附近的严格结果。
而在实际使用中,它至今比 BCS 更常用。要处理有磁场、有边界、有缺陷的真实超导体,BCS 的微观计算几乎无从下手,而金兹堡-朗道方程是可以解的。
一个比值
理论里有一个无量纲的参数 κ,等于磁场穿透深度与相干长度之比。
1957 年阿布里科索夫算出:当 κ 大于 1/√2 时,超导体的行为完全不同。磁场不再被整体排斥,而是以量子化的涡旋形式钻进去——每个涡旋携带一个磁通量子,涡旋排成三角格子,涡旋之间仍是超导的。
这类材料叫第二类超导体。它们能承受极强的磁场而不失超导——今天所有的超导磁体,从 MRI 到大型强子对撞机的偏转磁铁,用的都是它。
朗道起初不相信这个结果,阿布里科索夫把论文压了几年才发表。
妻子的流放
金兹堡 1948 年被编入氢弹项目。他提出了后来称作「第二想法」的关键一环:用氘化锂-6 作为聚变燃料——它是固体,不必像液态氘那样低温储存,而且被中子轰击后会原地生成氚。这个方案是苏联氢弹得以实用化的核心之一。
1951 年他丧失了涉密资格,原因是他的妻子妮娜因所谓政治罪名被判流放。
他晚年多次谈起这件事,说法是:这反而救了我。留在项目里的人被绑在军事体系里几十年,而他被赶了出来,得以回到列别杰夫研究所做自己想做的物理——超导、宇宙线、天体物理,都是在那之后做的。
八十七岁的诺贝尔奖
2003 年,八十七岁的金兹堡与阿布里科索夫、莱格特共获诺贝尔物理学奖,表彰的正是五十三年前那篇论文。
他晚年在俄国公众中的知名度,一半来自物理,一半来自他的直言。他是坚定的无神论者,公开反对东正教会介入公立学校教育,为此收到过大量攻击。他还长期维护一份「特别重要且有趣的物理问题」清单,几十年间不断修订,最后一版列了三十来项。
他在《物理学进展》做了几十年编辑,把它办成了俄语世界最重要的物理评论刊物。2009 年他在莫斯科去世,享年九十三岁。
代表方程
金兹堡-朗道自由能
不追问超导的微观机制,直接引入一个复数「序参量」ψ 描述超导态的强弱,把自由能按它展开。这套唯象理论比 BCS 早七年,而且至今在处理磁场、界面、涡旋时比 BCS 更好用。
金兹堡-朗道参数
磁场穿透深度与相干长度之比。阿布里科索夫发现,当它大于 1/√2 时超导体会让磁场以量子化涡旋的形式钻进去——这类第二类超导体才是今天所有强磁体的材料。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.金兹堡与朗道《论超导理论》,《实验与理论物理杂志》第 20 卷第 1064 页(1950)
- 2.巴丁、库珀与施里弗《超导理论》,《物理评论》第 108 卷第 1175 页(1957)——七年后才出现的微观理论
- 3.诺贝尔奖官方资料页:维塔利·金兹堡,2003 年物理学奖