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科学是怎么变成热搜的?「凝聚态物理」是最新的例子


8 月初,室温超导的又来了。这一次是伴着投资界的喧哗来的。

这距离上一次来到没过多久。今年 3 月 7 日,美国罗切斯特大学助理教授 Ranga Dias 团队在美国物理学会 3 月会议(APS March Meeting,一年一度,主要内容为凝聚体物理学方向)上称,他们制备了一种镥-氢-氮化合物,在接近 1 万个标准大气压(温度为 0℃、纬度 45 度海平面上的气压称为 1 个大气压)的条件下实现了室温超导。次日,《自然》(Nature)杂志网站刊登了 Dias 团队的论文。

然而仅仅一周之后的 3 月 15 日,南京大学闻海虎团队就通过论文预印本网站 arXiv 宣布:实验基本否定了 Dias 的结果。闻海虎团队的论文随后也于 5 月 11 日在《自然》杂志网站发表。Dias 早年曾两次宣布成功制备室温超导材料,又都遭证伪。有鉴于此,这件事在今年 5 月作为一个不大不小的学术乌龙,并没有引发格外「出圈」的关注。

然而室温超导材料相关的风波,尚未结束。7 月 22 日,韩国量子能源研究所团队在 arXiv 上发表结果,称早年间发现的材料 LK-99 具有惊人的优越特性:这种材料在温度 400K(126.85℃)、常压之下展现出超导性质;更不同寻常的是,以现代化学的标准来看,其制备方法十分简单。

与 Dias 事件相比,LK-99 事件多了些许粗犷气质,容易让人联想起烧丹炼汞的道士。「量子能源研究所」并非罗切斯特大学那样声名显赫的学院,而是一家仅有 2 名员工的科技公司,办公场所位于首尔的一栋 4 层小楼。材料 LK-99 的命名与其化学组分无关:L 和 K 分别取自发现者李石培和金智勋的名字首字母,99 则代表发现年份 1999 年。据韩联社 8 月 4 日消息,虽然「量子能源研究所在其主页上称多家公司、研究所和大学作为合作伙伴」,然而「据透露,他们从未合作过」。韩联社消息称,迄今为止唯一与这家公司有合作的机构是韩国能源工程研究院,今年 5 月 24 日双方才签署了研究协议。

不论这家公司背景如何,其实验团队至少比 Dias 团队的态度要诚恳得多。Dias 并没有公布材料组分的比例,让如何制备、如何测试这种材料都显得扑朔迷离;相比之下,量子能源研究所团队开诚布公地展示了制备方法,还摆出等待全世界检验的自信姿态。更何况,这么优越的特性、这么简单的制备方法,简直是人人都能自己试一试。

「狼来了」的消息在 8 月 1 日被放大到震耳欲聋的程度:中美都有学者宣称找到了「LK-99 是超导材料」的证据。一天之内,互联网上不同母语的用户打响了一场「科技竞赛」。

简体中文互联网出现了「直播做科研」。8 月 1 日,B 站 Up 主 @关山口男子技师,上传了一则视频记录一小片 LK-99 材料样品的磁悬浮。视频注释显示:「华中科技大学材料学院博士后武浩、博士生杨丽,在常海欣教授的指导下,成功首次验证合成了可以磁悬浮的 LK-99 晶体。该晶体悬浮的角度比 Sukbae Lee(李石培)等人获得的样品磁悬浮角度更大,有望实现真正意义的无接触超导磁悬浮。」—— 截至 8 月 14 日,这则视频已经播放超过 1000 万次,累计弹幕超过 8 万条。视频中「见证历史」的弹幕如烟花暴雨。「超导悬浮」「能带理论」等原本艰涩的术语,一夜之间就成了人人都能议论两句的话题。在评论区,关注者们摩拳擦掌地准备迎接历史,跃跃欲试地谈论这一革命性成果对于科技行业、产业格局乃至国际关系的影响。

7 月 22 日,韩国量子能源研究所团队称,
早年间发现的材料 LK-99,在温度 400K、
常压之下展现出超导性质。

美国互联网也并不安宁,相应出现了「推特科研」。同样是在 8 月 1 日,劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory,简称 LBNL)的研究人员 Sinéad Griffin 在 arXiv 上宣布:针对 LK-99 的密度泛函理论计算,能够支持它是一种室温常压超导材料。仅仅一小时内,Griffin 的结果就在推特上疯传,而且在传播的过程中,推文的重点很快就变成了「国家实验室支持 LK-99 是室温常压超导材料」。

金融界的反应也相当及时。据南都大数据研究院统计,A 股室温超导概念板块的 15 只概念股,在 7 月 25 日至 8 月 2 日大多股价飙升。这种行情迫使多家公司发布针对交易异常的公告,澄清业务范围与超导材料并无关联。在美国,「国家实验室支持 LK-99」的消息也立刻让一家名为「美国超导」(AMSC)的公司股价在 8 月 1 日暴涨,盘中最高涨幅竟达到 72%。讽刺的是,美国超导的主营业务并非超导材料,仅仅是名称沾边,就被推上了股价过山车。

8 月 6 日,数位基金经理在接受《中国基金报》采访时表示:如果这个研究体系得到认可,那么即便 LK-99 未能挺过严谨的测试,室温超导领域投资也仍有可为。

「一夜之间全民都懂得凝聚态物理了!」一位物理专业学生在社交媒体上如此戏谑道。

少有人提及物理学界的反应。事实上,就连引起刷屏的研究团队本身,都出现了内讧。命名 LK-99 材料的两位研究者在接受采访时表示,论文是团队内其他成员未经同意擅自发布的,他们已经要求撤回论文。这导致了 8 月 2 日前暴涨的相关股票快速下跌。其中,无辜躺枪的美国超导股价于 8 月 2 日跳水 30%。

漫画师 Tom Dunne 于 2015 年
《美国科学家》(American Scientist)绘制的一幅漫画,
讨论公众认知与科学突破之间的关系。

「超导」是一个物理学名词,指这样一种现象:某些材料在温度降低至某一临界值(称为临界温度)之下时,其电阻会突然下降至零。在常温常压条件下,目前所知的一切材料均有电阻,只是电阻的大小有区别,日常被认为是导体的金属 —— 铜、铝、铁等 —— 都不例外。

电阻在某一温度下骤降至零的特性,很难用经典物理理论来解释。这是一种量子现象,而描述这种量子现象会产生怎样的宏观后果,是凝聚态物理的重要研究内容。在超导体的诸多奇特性质中,有一种特别值得注意:如果将超导体置于外部磁场中,那么磁场是不能进入超导体内部的。这种完全抗磁现象被命名为迈斯纳效应(Meissner Effect),以纪念其发现者。作为结果,一块超导材料可以悬浮在磁场中;反过来,它也可以使得磁铁悬浮起来。

当然,正如所有材料都不可能一点不导电一样,所有材料实际上都或多或少具有一点抗磁性。但任何固体物理教科书都会强调:超导体的完全抗磁现象与通常的抗磁性是有本质区别的。实际上,自迈斯纳效应被发现以来,为判断某材料是否为超导体,物理学家都会采用零电阻和完全抗磁性作为判据。

毫无疑问,零电阻和完全抗磁都是极其诱人的特性。不用想得更深,只要想到 —— 超导材料可以让电力输运的损耗降至零 —— 那么它的技术前景都已经非常可观了。

不幸的是,目前已知的超导材料,不仅制备方式复杂,而且都需要相当低的温度才能实现超导。例如,最早被发现的超导现象,是温度被降至4.15K(-269℃)的汞电阻会骤降至零。物理学家所称的「高温超导」,其「高温」都是相对于液氮的温度(77K,或 -196.15℃),它们实际上对环境的要求都很苛刻,制备也都很复杂。如果能找到室温条件下的超导材料,无疑将为下一场工业革命指明方向。

各类超导体的发现年份与超导临界温度

一览,图片来自维基百科。

然而,LK-99 真的能承载得起这种预期吗?

首先,LK-99 过于简单的制备方式的确令人怀疑。打个比方,要想自酿果酒,用常见的厨房器具就能不太费事地做到。但要想把低度果酒变成白兰地,不靠专门的蒸馏设备是不可能的。当然,工业材料不是酒,但在物理和化学发展高度精细化的今天,实在很难设想,过去需要通过复杂的制备流程才能获得的特性,竟然能够如同道士炼丹一样轻易获得。

「美国国家实验室支持 LK-99 是室温超导材料」也是一种过度夸大的说法 —— 这仅仅是劳伦斯伯克利国家实验室的一名研究人员,利用已知的物理理论进行了一些模拟计算而已。进行模拟计算、将结果发布在论文预印本网站上,都属于当今自然科学研究的常规做法。物理学界的专业人士对于这一模拟计算的评价普遍不高:密度泛函理论能否处理这个情形,令人生疑;虽然勉强能解释宣称发现的现象,但却不能预测任何新的现象。有专业人士认为,这种忙着为热点实验打事后补丁的「模拟计算」,属于机会主义操作。

后续针对 LK-99 的一系列测试,也无法提供有力的证据。点击量极高的「磁悬浮验证视频」,最多仅能说明LK-99是一种抗磁性材料。然而,前文已述——「抗磁性」与「完全抗磁性」有本质区别。实际上,如果外加磁场足够强,就算是一只青蛙都能悬浮起来。总不能说青蛙是超导体吧!这种「验证视频」,是对既有物理学知识的过度简化,可能误导不了解专业知识的观众。

Michael Faraday 在 1831 年所做的实验之一。
液体电池(右)通过小线圈(A)发出电流,当液体
电池被移进或移出大线圈(B)时,其磁场会在
线圈中感应出瞬间电压,电流计会检测到这一电压,
随着温度的降低,电路的电阻也随之减小。

后续的实验结果也一步步证伪韩国量子能源研究所团队对 LK-99 的猜想。北京大学量子材料科学中心的研究团队于 8 月 8 日通过 arXiv 宣布:其团队合成的 LK-99 材料没有展现出超导特性。团队宣称,虽然有部分样品实现了「磁悬浮」,但测试结果显示,样品中含有的软磁铁成分足以解释这种现象。

更不幸的是,就连最核心的「超导」证据 —— 电阻在某一温度附近骤降 —— 也被证伪。中国科学院物理研究所、北京国家凝聚态物理实验室同样于 8 月 8 日通过 arXiv 宣布:LK-99材料的电阻骤降性质,实乃其中掺杂的硫化亚铜杂质的一级相变所引起。这当然跟超导没有任何关系。

迄今为止,没有任何科研团队复现了韩国团队宣称的「LK-99 电阻骤降至零」的结果。

相比今年 3 月的 Dias 事件,LK-99 虽然通过「直播科研」火出了圈,乃至引发超导概念股的股价大起大落,却迅速被学术界同行精密地检验,在不到一个月的时间内就得到比较合理的解释。虽然许多物理学者对最初的「人人都懂凝聚态」感到无奈,这个结果还是能让他们欣慰一些。加州大学戴维斯分校的凝聚态实验学家 Inna Vishik 对《自然》杂志表示:「我认为事情到此已经确定解决了…… 这些探索工作把原本观察到的零零散散的迹象都整合了起来。我觉得这棒极了。这种事情相对罕见。

Vishik 所说的「罕见」,是指人们对于「可能的超导现象」的解释往往来得非常迟缓。《自然》杂志写道:「虽然一些评论家将 LK-99 的传奇视作科学可重复性的典范,但另一些人则表示,对于一个备受瞩目的谜题来说,这个解决方案显得异常迅速。」这是因为,LK-99  的制备方法非常简单,短时间内重复实验是可行的;另一方面,不论圈内圈外,人们对 LK-99 投以不同寻常的关注,让一些学者更有动力去快速验证。

LK-99 事件不只事关学术界内部的争论,而已经算是公共舆论事件。科技行业关注者和投资者对于 LK-99 感到兴奋,是非常正常的反应。从更宏观的层面而言,当下人们迫切希望听见一点好消息,而 LK-99 恰好在此时登场,自然就承担了厚望,这也无可厚非。

但事件的另一些侧面,也值得反思 —— 为什么会出现「人人都懂凝聚态」的现象?为什么还没有经过严格检验的结论,能先入为主地占据围观者的思维?这仅仅是对于动荡时局的集体情绪反应吗?

科研新动向引来大量讨论以及政商精英押注,过去也曾发生,且造成严重后果。《恶血:一个硅谷巨头的秘密与谎言》(Bad Blood: Secrets and Lies in a Silicon Valley Startup)所讲述的故事便是一例。从斯坦福大学肄业的 Elizabeth Anne Holmes 创办了血液检测公司希拉诺斯(Theranos)。她宣称自己发明了一种仪器,仅凭一滴血就能检测数种疾病的风险。尽管这项技术从未得到过同行验证,希拉诺斯却仍然在几年间成长为生物科技行业的独角兽公司,2015 年估值达到 90 亿美元。

当然,希拉诺斯并没有真的研发出过人的技术,因此在建立在谎言之上的「高新科技公司」最终溃败,可以说是必然。但是值得注意的是,在希拉诺斯风头最盛之时,它得到过不少美国政商名流的支持:前国务卿 Henry Kissinger、前国务卿 George Pratt Shultz、前国防部长 James Mattis 等。这里最富戏剧性的当属 Shultz:在与 Holmes 会面仅仅两小时后,Shultz 就加入了公司董事会;甚至在大厦将倾之时,Shultz 也不愿意将不利的内部消息透露给媒体。

类似的事情重复发生。从《恶血》说回这次的 LK-99 事件,前引《中国基金报》的报道提及,在中国,已有基金经理因为刷屏的科技新闻而开始考虑布局投资。在美国,投资者 Jason Calacanis 主持一档播客节目《This Week in Startups》,他在 8 月 4 日邀请了初创公司 Varda Space Industries 的工程师 Andrew McCalip 和一家基金的合伙人 Delian Asparouhov 谈论对 LK-99 的看法。

两位嘉宾都不是物理学从业者,但却对 LK-99 的可能前景侃侃而谈,甚至还抽象出了一个科技创新与投资的模型。Asparouhov 认为,即便 LK-99 并非超导材料,它的抗磁性也有巨大的应用潜力,从实验室制造到工业化生产,每个环节都是诱人的投资机。显然,有很多金融从业者当时都被周围弥漫的乐观情绪所感染:「LK-99 是不是超导材料」的问题太书呆子气,我们关心的是应用!一些人如此说道。

「LK-99 事件」始于字面意义上的炼金术,而有幸没有沦为「恶血炼金术」。但这不应只是一种侥幸。

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