11/5/2014 (13)固体物理(13)固体物理 李革胜, 11-04-2014 G副教授是加拿大A大学物理系凝聚态物理与超导实验室主任,他的教学工作是给物理系大四本科生与技术科学学院的一年级研究生开设《固体物理》课程。L同学是G副教授的一个女硕士研究生,作为来自中国的国际学生在超导实验室做硕士论文。L同学的愿望是在国际顶级物理学杂志上发表文章,这是她飘洋过海来加拿大多年留学的夙愿。 固体物理学是凝聚态物理学的一个分支,主要研究对象是原子周期性排列结构的晶体,其固体的能带论曾预言了半导体的存在,并为晶体管的制造提供理论基础,《固体物理》是大学材料物理,化学物理专业必修课。G副教授得到国家科学基金资助,从事超导体的理论研究,并试图把四大力学《理论力学》、《电动力学》、《量子力学》和《热力学、统计物理》等分散在各个课程的相应规律“串”起来,一以贯之,解决物理问题中的矛盾,用统一的物理理论让牛顿经典物理学与《固体物理学》理论在结构上清晰化和明朗化,避免出现“用数学的枪去打物理的点”这种尴尬情况,满足大学生的求知欲与好奇心。因为固体物理学就是从微观上解释固体晶体材料的宏观物理性质,其理论基础是理论力学,非相对论性的量子力学,电动力学、统计物理中的理论,但如何把它们统一起来,象理论力学那样用拉格朗日方程推导“四大力学”中所有的公式,研究方向类似霍金的“万物理论”,这实际上是个G副教授天天在办公室祷告闭门造车空想悟出来的教学科研项目。 “万物理论”最初应该是从物理现象数学模型相似性推演出来的,在物理学上相似性是普遍存在的,比如著名的《自动控制原理》课程中RLC电路系统的微分方程与弹簧阻尼系统数学模型一模一样,它们都是二阶偏微分方程,在特定的初始条件下进行拉普拉斯变换,得到输出变量象函数的部分分式展开,再通过反拉普拉斯变换求解。如《信息安全基础》里的群,环,域的基本性质与算术的加减乘除四则混合运算尽管性质完全不同,但表达方式一模一样。其它物理过程的数学模型,如传热,传质,电路欧姆定律的数学模型与弹性虎克定律相似性的例子就更多了。 G副教授喜欢把问题看得简单些,在大学物理系混了二十多年,理论物理学界的骗子实在是见得太多,有时候忍不住说两句。他个人认为,物理学家们包括爱因斯坦在内实际上是在把简单的问题复杂化,尽发明一些对人类文明进步毫无实际价值的所谓理论,浪费纳税人的金钱。超导与宇称不守衡一样本质上是幼稚的高深,闭门造车琢磨出来的故弄玄虚而已。 根据经典电路的欧姆定律I=U/R,本质上欧姆定律是理想状态,如果R=0,即R足够小,小到可以忽略,其物理意义为元件的“短路”,当然若电压足够大则意味着“击穿”。这是中学生都知道的常识。同样,基尔霍夫定律也不适用于存在零电阻回路的电路,而超导就是R=0的状态。超导体的出现在理论上推翻了经典电路原理,即超导凝聚态物理实际上是颠覆了这些经典电路原理,也可以说是补充了经典电磁学的极端情况下的漏洞。1972年的诺贝尔物理学奖授予低温微观超导理论即著名的“BCS理论”,BCS理论提出超导现象是一种宏观量子效应,金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓“库珀对”,库珀对在晶格当中可以无损耗的运动,形成超导电流,其超导电性的量子力学解释为Bogoliubov transformation, 其固体物理机理是:“电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷,导致格点的局部畸变,形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子,和原来的电子以一定的结合能相结合配对...在很低的温度下,这个结合能可能高于晶格原子振动的能量,这样,电子对将不会和晶格发生能量交换,也就没有电阻,形成所谓超导”。[1]但1972年诺贝尔物理奖BCS理论无法成功地解释高温超导现象。这就需要新的固体物理理论来完善凝聚态超导物理理论。这也是科学基金资助G副教授的凝聚态物理实验室的目的之一。 G副教授并不反对勇攀科学高峰,百折不饶的科研精神,也不反对真正的新生事物。他私下腹诽超导现象害死人,浪费了人类大量智力资源与金钱,到头来才发现是海市蜃楼。固体物理学家在超导问题上实际是把简单问题复杂化了,其实BCS理论应该就是超导现象的最后解释了。超导物理学家犯的错误本质上是公孙龙的“白马非马”形而上学诡辩论,把逻辑学中的“个别”和“一般”之间的的区别夸大,割断“超导”与“低温”二者不可分割的联系。悬浮超导体与卡诺热机,魔轮,浮力,水力的永动机一样是个骗局,本质上是魔术而已,其利用人的视觉误差与常识性错误而已。超导现象本质上是温差,温差是超导现象能源的原动力,因为温差足够大,大量环境的热量流入超导体,或者材料从高温冷却到低温,大量热量外流,引发“击穿”现象,看上去电阻为零。当温差消失,没有足够击穿能量,电阻又立即上升,超导现象消失,就这么简单。它与1881年美国人约翰·嘎姆吉为设计的零发动机类似,他的装置利用海水的热量将液氨汽化来推动发动机运转。但这只是一厢情愿的设计,因为汽化后的液氨在没有低温热源存在的条件下无法重新液化而不能完成循环以推动机械运转。G副教授对这个问题从不做毫无意义的争论,说一千道一万,常温超导体做出来才是硬道理,做不出来就是骗局,谁叫物理学家们花了纳税人天文数字的金钱,却又没有实际价值的结果。 无论一个无聊的科学研究项目对其他无聊的项目有多重要,都不能为它自己增加任何重要性。许多顶尖的理论物理学家包括因斯坦,玻尔,海森伯,费曼等都试图从量子力学基础上理解超导电性,但最终都没有获得成功。李政道博士甚至提出蜂窝状的C60超导体模型,C60固体是由弱相互作用力组成的,是保留了分子性质的固体,钾掺杂的C60在18K时有超导行为,这为解释高温超导提供了新的固体物理依据。G副教授知道找一个高中生来天天观察他家后院柏树上的蜂巢,他也做得出C60富勒烯模型。如果是他G副教授一个无名小卒提出的固体物理模型,在学术界不会有什么反应。关键这是诺奖获得者李政道的学术观点,一言九鼎,好家伙,这个观点得到全世界重视与认可。克罗托博士因在氦气流中以激光汽化蒸发石墨制备C60获得1996年度诺贝尔化学奖。谷歌首页曾用一个旋转的C60取代了GOOGLE LOGO中的第二个"O"来庆祝富勒烯发现25周年。在诺奖的光环下,全世界都认为C60是通往常温超导体的捷径,G副教授现在都觉得奇怪为什么不是别人而是李政道博士本人提出C60模型?C60本质上已经间接否定了“弱相互作用宇称不守恒”,莫非这世界上还真有自己打自己嘴巴的怪事?C60实际上也是个天方夜谭,前景没有吹嘘的那样好。实际上,任何科研都是这样,开头错了,整个过程都会为错误的开始付出代价。 项目申请书最早是L同学主动请缨执笔写的,她从没怀疑过超导现象的真伪,因为G副教授也不知道该怎么给他的学生们解释学术不端问题,这些社会丑恶现象太复杂,他怕玷污学生美丽的心灵。L同学原想从经典电路原理出发,把电压不同的两个理想电压源并联或串联在一起来模拟凝聚态物理中的超导现象,再用二阶偏微分方程来描述。这样用微积分来解释物理规律当时在学术界非常时髦,也是凝聚态物理即固体物理理论研究的主流趋势。 G副教授一开始就看到L同学的学术观点没有什么重大价值。他个人认为产生这种科研需求完全是电路原理没学好的必然结果。零电阻R=0和抗磁性是超导体的两个重要特性。因为超导体中电阻为零,电子在电场下做加速运动而非理性状态中的匀速运动,电子加速过程本质上就是一个电阻,所以超导现象本质上是在颠覆经典电路原理。但现实中这种电路不存在,经典电路理想模型在超导体中失效了,但这并不说明欧姆定律错了。实际上,把电压不同的两个理想电压源并联在一起,估计任何经典电路原理物理定律包括基尔霍夫定律都会失效。因为在理想电路模型中没有提供R=0超导体这种限制,这当然只能导致一个逻辑性的矛盾,因为实际电路里,不可能会出现U=1V又同时是U=2V的电路。即在理想线路模型中把不同电源并联在同一节点,就相当于数学上即定义U=1V又同时定义U=2V,逻辑上产生了矛盾。一句话,这种偏差本身是逻辑问题,而不是物理问题。当年基尔霍夫本人就证明过超导材料本身就象永动机一样,是天方夜谭是不可能的,在这里只是换了个马甲名字而已,没有想到在诺奖光环下竟然欺骗了全世界。 当然,这里涉及一个科学基金如何分配问题,即课题设置的原则问题-蛋糕怎么切钱该怎么花的问题?最该下课的项目是为投机者提供最多机会的研究方向,具有最大价值,最多贡献与最有光明前途的科学领域是最值得资助的方向,或者为其它交叉学科带来最大光明的领域是最值得资助的研究。 后来,G副教授考虑到L同学需要好的论文才能毕业,就把L同学的基金申请书拿过来亲自捉刀代笔,G副教授在申请书讲述自己独有的试图以超导现象为突破口把四大力学分散在各个课程的相应规律“串”起来的理论思路,一以贯之,让牛顿经典物理学与《固体物理学》理论在结构上清晰起来,既满足科研又帮助教学。 基金申请上交的前一天,G副教授与L同学协商把第一申请人改成自己,L同学虽然是最初执笔者却只能列为第二申请人。这是没有办法的事,因为基金委有章程,L同学是国际学生不能作为主申请人申请国家科学基金,而A大学明确规定,只有副教授以上的老师才能申请国家基金,主要的原因还是申请书中最重要的最原创的理论思路是G副教授自己的工作。G副教授当晚把申请书的电子版放在FTP上,并电话告知L同学下载地址与下载密码。胳膊拧不过大腿,L同学没有与自己的导师争署名权,要是基金没有申请到,先闹一出知识产权纠纷,肯定会导师学生两败俱伤,竹篮子打水一场空,把自己实验室课题组的矛盾暴露出来,对谁都没有好处。还是等基金申请到了再说吧,L同学当时她是这样安慰说服自己的。 G副教授与L同学的科学基金申请书交上去后,正好超导现象这个伪科学获得诺贝尔奖,中国也把国家科技进步一等奖授予低温超导。超导材料一时成为世界研究热点,大家都把注意力集中在超导上面,似乎超导永动机一步之遥近在咫尺,明天就可以实现。到时候,只需开动超导机器大家都不用干活了,那该多好!那一年,加拿大科学基金委只有G副教授一个人申请了超导体的理论研究,自然获得重视,很快项目就申请下来了,尽管比申请的经费少了十万加币,有比没有好,毕竟是天上掉馅饼的事。 科学基金的到来对实验室的经费无疑雪中送炭,基金保证了实验室所有支撑人员的全额薪水,水、电、物业服务办公用品、差旅、维修、绿化等等杂七杂八的费用。有了这笔钱,G副教授给L同学由硕士生转成了硕博直读,给L同学加了奖学金并买了台新电脑给她,而L同学在基金申请书的基础上作的开题报告非常成功,老师学生皆大欢喜。 基金项目进行三年后,该有数据都拿到了,博士毕业前半年,L同学每天在她的博士论文上花费了大量时间,有时候每天工作超过10小时以上,当然是为了发表文章,为了博士毕业。L同学最近心里郁闷,她的文章被退稿了,因为她的研究前沿,争议也大controversy,其理论研究结果是与诺奖成果无法自圆其说。她碰到一位审稿人是搞理论分析的,一个劲儿在理论上找茬,因为第二作者G副教授教授是理论分析专家,名声在外,主编就把文章交给一位搞理论的固体物理专家审稿。没有想到L同学的这篇文章是以实验见长,理论分析很少,理论主要是基于G副教授的前期工作,而L同学并不知道她可以自己推荐审稿人。主编建议的审稿人虽然没有明确提出拒稿,但找了不少毛病,提出的问题A4 纸打印出来整整有十页之多,审稿人暗示编辑部L同学的文章抄了大学教材“固体物理”中薛定谔方程来描述超导体的电子态与布洛赫波函数表达超导晶体周期性势场中的电子态的内容又没有注明来源,挑了一大堆包括语法错误标点符号等毛病,并提出了非常苛刻刁钻的修改意见。这让L同学非常沮丧,她得出结论,投稿也要看运气,文章被拒完全是其基础理论站不住脚,但理论分析不是她文章的重点,文章的闪光点在于她的思想,不同电压回路理想建模YBaCuO超导体。如果杂志主编找的审稿人是做具体教学实验的,或许这篇稿件会是另外一个命运,她这样安慰自己。第二次投稿,她给杂志主编建议篇文章交给一个长期搞教学工作的专家审稿,并在文章中侧重于理论分析与数值计算,还附上了近20篇参考文献以证明自己工作的独创性。她没有想到这次碰上两个只搞教学而不擅长理论分析的审稿人,又被拒稿。一位评审人明确向她指出,她的论文被拒问题实际上是用“数学的枪打物理的点”,全是徒劳无益没有任何实际价值的东西,研究面太窄,不合适作为大学课堂内容,建议投更专业的物理教学杂志。另一位审稿人提了些大众化笼统模糊的意见之后,干脆下结论她的工作理论上没有突破,分析方法没有创新,算法简单粗糙,参考文献繁复啰嗦,完全是为了研究而做的研究。文章所提出的问题早已解决,没有必要重复发表,最后结论是“建议不予录用”。 L同学读了两位审稿人的敷衍之词心有不甘,她并不认为自己的论文有何问题,反而认为这位评审专家根深蒂固的陈腐观念是文章被拒的罪魁祸首。L同学私下找到G副教授,哭得梨花带雨,哭诉其文章被拒的事体。文章审稿人放之四海皆准的审稿意见,方法理论没有突破,设备没有创新,结果没有价值,证明完全没有对她的论文进行深入细致的阅读分析。G副教授感觉L同学需要帮助,就与她一起重复了实验,并没有发现任何问题,遂逐字逐句地分析L同学的文章。他感觉L同学的文章在教学上至少还是值得发表的,只要是值得的,就没什么顾忌。G副教授亲自代笔把L同学的文章几乎重新润色了一遍,精心准备好后第三次投出去,毕竟G副教授是第二作者,哪里有让学生一个人做完所有工作,自己当甩手掌柜的道理?文章投出去后,G副教授电邮通知让L同学安心在实验室等结果。 一个月后,L同学收到编辑部稿件接受回执要求做一些小的改动,审稿人很敬业地提了三处修改建议,基本没有让她补充数据大修研究思路,主要是建议L对一些小瑕疵进行详细说明,以避免读者的误解。通常,年长的审稿人经历多一些,一般情况下只要文章内容说得过去,不会有让审稿人难堪下部了台的数据,一般都会让文章尽快发表,accepted as it is。很多审稿人采用所谓“中庸”式通情达理的策略,既尊重杂志期刊的学术水平,又保护作者发表文章的需要,毕竟现在人家都按时交了版面费的。这一次,G副教授让L同学自己处理稿件,因为需要回答的问题对L同学来讲并不刁钻,作为第一作者的她完全可以胜任。要不是为了学生前途着想,G副教授真的不愿意搞高温超导理论这种没有实际价值的研究。L同学很快按审稿人的要求修改好文章,并第四次投稿。她忐忑不安地等待编辑部的回信,盼望不要再出什么问题差错。这次,杂志编辑部对稿件的处理速度给人感觉时间变得很慢,迟迟没动静,一个月后,L同学好不容易收到编辑部“技术审核”回执,要求改完几个错别字小修 minor revision 返稿后编辑部才正式受理修改稿,不然有几句话别人看不懂。这回稿件没再送外审,是杂志主编直接做校稿并发表的决定。 几经波折,L同学的文章半年后经过校对样稿,在第七次投稿后终于可以付梓正式发表了。那天正好是L同学博士论文送外审的前一天,A大学物理系规定,博士毕业最少需要发表一篇文章。G副教授看着她一副认真的模样,心里纳闷莫不成她是把SCI当成嫁妆来做?L同学把长发剪短后,G副教授忽然发现她长得象自己去世多年的老娘,他是绝对不会把这个感觉说出来的,怕别人说他是个老色鬼,这个发现让G对L多了些亲切感。在G副教授表情复杂注视下,L同学长吁一口气,好事多磨。她想起"鲁提辖三拳打死郑关西"前的对话,郑屠笑道:“却不是特地来消遣我?”鲁达听得,跳起身来,拿着那两包臊子在手,睁着眼,看着郑屠道:“洒家特地要消遣你!” (3小时初稿搁笔) Reference [1]施里弗, Theory of Superconductivity, ISBN 0-7382-0120-0. 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