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超导理论的科学性

已有 1739 次阅读 2021-4-26 20:16 |个人分类:物理新视点|系统分类:论文交流

——我对超导预测的及其科学性

                             晏成和

一周前,秦四清先生在科学网发表《什么是理论的科学性?》,分析透彻、说理清晰。在此,分段引用原文,与我原创的文章对照,为创新的拙文找到一个科学性的靠山。

为方便阅读,秦先生的原文放在【  】内。

 

【科研人员提出了假说/学说/理论(为便于表述,以下统称理论),据此申请项目、发表论文时,常被评审专家以“理论的科学性不足”批评,让这些科研人员一头雾水,不知所措。那么,如何衡量理论的科学性呢?

1、证实(validate)或证伪(falsify)

理论的科学性首先在于其必须有证实或证伪的机制,不能证实或证伪的理论往往是伪科学。

如果有个案不支持某理论,但大多数案例仍支持该理论,有两种可能:(1)若个案涉及的数据质量有问题,不能否定该理论;(2)若数据质量没问题,则需要改进或完善该理论。

如果大多数案例不支持某理论,则说明该理论存在严重缺陷,或大幅修正或退出历史舞台。

毋庸置疑,最强有力的实证是前瞻性预测,即在某一现象未出现前,根据理论提前做出的预测;如果预测被证实且预测与实测结果相差较小,则该理论能较快地被学界认可。

 

前瞻性预测:超导是近代物理学的热门课题,曾经走红的库柏对理论(唯象理论)和对临界温度预测、已经被实验事实突破所否定。我的《物理新视点》提出来的超导原理是:在极低温度下,超导发生是材料的价电子被相邻原子挪用、共享,形成超导。

一、我之前有文章论述:原子之间价电子的价和运转是构成物质结构、形成固体强度的主力。然而在超导时,承担材料结合的主力-价电子被挪用,结构的主力不在位。那么预测:超导时材料的强度会很低。这一预测文字发表后,没有资料查找超导材料的强度。后来,有机会被中国科技大学的相关实验人员证实。

二、我在论述提出超导是极低温度下,材料的价电子被相邻原子挪用、共享,这是因为核心在价电子速率慢、不到位情况下发生挪用。由此我提出预测:提前让材料缺少电子(携带高的正电荷),能够让挪用电子的时机提前、超导提前,即能够提高超导发生的温度。

16年后,在《环球科学》上看到,日本、英国、美国的科学家在超导材料中“掺杂”,就是增加正电荷,提高了临界温度。他们的实验证实了我的预测。

 

【 2、简约性(parsimony)

理论中涉及的逻辑关系越简约,越表明理论的科学性越强。创立科学理论的目的,在于从错综复杂的现象中提炼出普适性的本质规律,本质规律往往涉及到某些控制变量关系的不变性,通常逻辑上是简约的、形式上是简单的,正所谓大道至简。

3、适用性(scope)

如果某理论能统一描述某一类事物的演变,甚至不同类事物的演变,即该理论适用范围广,则该理论往往值得信赖。正如爱因斯坦所说:“理论的前提假设越简单越好,涉及的因素越多越好,适用范围越宽越好。”

4、解释力(explanatory power)

如果根据某理论能简单合理地解释多种现象、多种实验/观测结果、前人百思不得其解的问题等,则说明该理论的科学性相当给力。

5、应用性(application)】

 

现在,超导的应用已经十分普遍。我的文章主要是接受前4条的检验。

我对超导的描述是:在极低温度下,价电子运转速率缓慢,不能满足核心对电子的需求,核心就挪用相邻原子的价电子、所有核心都挪用,形成了核外电子排队从原子表面滑过,形成公用的电子流——超导电流。

如此超导描述,图像清晰、前提简单,有较好的解释力,并且能够相符不悖地涉及超导的零电阻、抗磁性、第二类超导体等等诸多因素的科学性。

 

零电阻:核心把外来(公用)的电子流当成自己所需求的电子一部分,用核心的库仑力去顺势输运它,让其在自己身边流过,于是超导电流不仅不受到阻力,而且还获得了一份来自核心的输运力。在质子场力接力输送下,价电子畅通无阻,形成了电阻为零的超导现象。

正是因为超导时价电子获得了质子场接力的输运力,所以它能够在整齐排列的原子表面轻松地滑过,把环绕两个原子的价和运动转换成为抚过众多原子表面的宏观运动,形成有质子场推动的宏观的永恒电子流动,流速均衡、电阻为零。超导发生是大量的电子群集均衡流动,伴生很强的电磁波,伴生着极强的磁场。

 

超导的抗磁性    实验表明,第一类超导体(金属物体)在超导时,外磁场从超导体内完全排出,表现出很强的抗磁性,又称迈斯纳效应。若外磁场太强,干扰电子不能形成整齐的公用定向运动,即使到了临界低温,超导也不能发生。磁场和抗磁、磁悬浮,是超导的又一重要物理特性。

超导时大量电子在核心边均衡、畅通地流动,形成了核外电子的组成部分,也就构成了超导体的内电流。外磁场会干扰超导电流的定向运动,所以超导电流产生的强大磁场必然会把外界的干扰磁场抵制在外,于是就形成了很强的抗磁性。

正是因为超导体具有强大的内电流、内磁场,所以能够抵制外磁场,必须抵御外部干扰,当外磁场要入侵,抵制的力量造成了磁悬浮。

 

第二类超导体:  此类超导是多元素化合物,由许多元素的结构元结合而成,电子空位只占其一隅(整体上是一条细缝),第二类超导体的超导电流伴生的磁力线不是很密,外磁场还是能从其他元素间穿过,所以迈斯纳效应不是十分明显,但是允许通过的外磁性不能太强,否则也会阻断超导。这类超导体的临界温度较高,超导电流也较大。

元素的价电子数为5、7时,不能够均匀分布在原子表面,形成价电子的再分层(如5可分成4,1)。因而价和运转的环绕角不均匀、间隙不等,低温条件下核心对最外层电子管束不力,首先在间隙大的远端形成电子公用、形成超导。所以价电子数为5、7的元素在常温下通常是绝缘体,在低温下却较易形成超导。 

当原子质量较大,核外电子数多,层数也多,核心对外层电子的约束不力,超导电子空位容易产生,所以较易形成超导,而且临界温度较高。

一些绝缘体在低温条件下价和电子降低速率,发生外电子公用,形成了性能良好的超导体,绝缘体形成超导,为电子空位导电再次提供了例证。

秦四清先生的文章分析缜密、说理透彻,是检验论文科学性的试金石。我用秦先生文章的前四条,全面的检讨了我的超导之说的科学性,在此致谢。

2021/4/26




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