超伝導について教えてください

質問

どんな数式になるんでしょうか？
単純ではなく、かなり難解なのでしょうか？

極低温の理論でノーベル賞を受賞してますが、高温でも観測されているようです。
極低温の理論に矛盾はないのでしょうか？

回答No.2

QCD2001 · ベストアンサー

40年前に、大学の物理学科の学生だったころ、量子力学の講義で、水素分子の共有結合の計算で、
水素分子の中の2つの電子のスピンが両方とも1/2の場合は、それぞれの電子の波動関数が打ち消しあってゼロになってしまう。波動関数がゼロになると物質が消滅することになり、これはエネルギー保存則から許されないので、電子同士が反発しあうことになる。これがパウリの排他原理だ。
と言うことを習いました。

さらに、電子のスピンが１であったとすると、波動関数はゼロにはならない。ということは、電子が同じ空間に重なり合って存在することができることになる。これがマクロな規模で生じたものがボーズ・アインシュタイン凝縮であるのだけれど、実際の電子はスピンが1/2であるため、ボーズ・アインシュタイン凝縮は生じない。ところが、2個の電子がペアになると、スピンが１の粒子として振舞うことができる。すると、電子のペアは他の電子のペアと同じ空間を重なり合って存在できることになる。

満員電車から降りて改作口へ向かう時、大勢の人ごみに押されてしまい、前へ進もうと思っても、なかなか前へ進めません。もしも人間が他の人間とぶつかり合わずに同一空間に重なって存在することができたら、ぶつかり合わずに他の人の体の中を通り抜けることができたら、ラッシュ時でもすいすいと前へ行けると思いませんか？
電子がペアを作って、スピンが１の粒子として振舞うことにより、他の電子のペアとぶつかり合わず、他の電子ペアを通り抜けることができるようになると、電子ペアは何の抵抗もなく動くことができます。これが超伝導です。

超伝導は2つの電子がペアを作ることによって生じる現象です。極低温によって生じるのではありません。温度が高いと電子のペアが壊されてしまうため、超伝導が生じなくなるのです。温度が高くても電子のぺが壊されないような条件があれば、超伝導は生じます。
極低温が超伝導の原因ではありません。

＞極低温の理論に矛盾はないのでしょうか？

「極低温の理論」とはいったい何を指すのでしょうか？
熱による分子の運動によりかき消されて見えなくなっていた現象が、温度を下げることによって見えるようになります。これはそれぞれの現象の理論によるものであって、温度そのものに関する「極低温の理論」によるものではありません。
そもそも「極低温の理論」などというものは存在しません。

お礼

ご回答有難う御座います。

＞超伝導は2つの電子がペアを作ることによって生じる現象です。

ということは、電子１個だけでは、超伝導は発生しないのでしょうか？
電子１個だけで、超伝導の実験は出来ないのでしょうか？
最近の技術なら可能な気がします。それで、１個だけでも、超伝導は起きそうな気がします。

＞電子ペアは何の抵抗もなく動くことができます。これが超伝導です。
この内容では、まあまあ簡単な方程式で表されそうな雰囲気です。
式は、どんな感じなのでしょうか？

＞「極低温の理論」とはいったい何を指すのでしょうか？
すいません。ＢＣＳ理論のことです。
ＢＣＳ理論？って、０度近い温度で、説明する理論のはずですが、零下20度ぐらいの温度でも起きるものについても、ＢＣＳ理論で説明出来るのでしょうか？

補足

超流動という現象がありますが、これは重力場が消えるので、物質が上に登ってくるのでしょうね。私はそのように考えます。如何でしょうか？

回答No.4

noname#255227

超伝導について
https://okwave.jp/qa/q9592291.html

＞超流動という現象がありますが、これは重力場が消えるので、物質が上に登ってくるのでしょうね。私はそのように考えます。如何でしょうか？

超流動について
https://okwave.jp/qa/q9590139.html

より詳しくはこちら
https://okwave.jp/qa/q9626035.html
の参考URL内参考URLの各本文及び補足全10参照。

お礼

ご回答有難う御座います。

私は以下のようにして、重力場が作られると考えます。
(1)フェルミオンが発生する
(2)そのフェルミオンを材料にボゾンが発生する
(3)そのボゾンが重力に変化する
(4)(3)で重力に変化できないボゾンがそのままの状態で残る→この状態が超伝導状態

強烈な重力場では、「重力場」＋「ボゾン」の共存状態になっているはずです。それが超伝導状態のはずです。
→これによって、重力が無限大にならないはずです。

すると、繰り込み理論は不要になるし、ブラックホールの特異点も消えるし、ダークマターも不要になるし、超対称性理論も消える気がします。
そもそも、質量とか電荷が無限大になる理論って、私も何十年も信じてきましたが、やはり、おかしいです。場が無限大になるのは、異常です、どっかで飽和すると考える方が正常です。

更に言いますと、常温でも、重力が強いと「超流動が発生する」、電磁力が強いと「超伝導が発生する」と思います。

補足

場の量子論で、電子の質量を計算したら、どうやっても「無限大」になる。
それは、元の式のホンの一部分がおかしいからって可能性はないのでしょうか？
考えたら「無限大」って、在り得ない値です。
それで繰り込み理論から始まって、繰り込み群とか、超～高尚な難解な理論まで、出来てます。
でも、そもそも、元の式のホンの一部分を修正したら、「無限大」が消えて、繰り込み理論も繰り込み群も、消えないでしょうか？
繰り込み群って、数学的には、価値があるかもしれませんが、物理学としては、壮大な間違いをしている気がします。

回答No.3

QCD2001

＞ということは、電子１個だけでは、超伝導は発生しないのでしょうか？

磁場などによって、ペアを壊すことで超伝導が消失することが実験で確かめられています。ですから、電子1個だけでは超伝導は発生しません。

＞式は、どんな感じなのでしょうか？

下をご参照ください。
https://ja.wikipedia.org/wiki/BCS%E7%90%86%E8%AB%96

＞ＢＣＳ理論？って、０度近い温度で、説明する理論のはずですが

日本語で「極低温の理論」と言うと、「極低温についての理論」を意味すると思います。
ＢＣＳ理論というのは「極低温についての理論」ではなく「超伝導についての理論」であって、電子がペアを作ることによって超伝導が発生することを示したものです。
電子がペアを作るときに、熱振動によりペアの形成が阻害されることが予想されます。基本的に量子統計力学上の問題であるので、というのは確率論的な問題であるので、温度が何度以上になると超伝導は生じないという理論的な上限は存在しません。しかし数十Ｋを超すと部分的に超伝導が生じていても、観測できない程度にわずかでしかないと予想されます。
高温超電導に関しては、ＢＣＳ理論の格子電子相互作用以外のメカニズムによって電子のペアが生じるのだと考えられます。

繰り返しますが、超伝導は低温が原因で生じるのではなく、電子がペアを作ることによって生じるのです。

＞超流動という現象がありますが、これは重力場が消えるので、物質が上に登ってくるのでしょうね

重力場が消えているのであるなら、容器の壁を登った液体ヘリウムは容器の外へはこぼれ「落ち」ないで、容器の上の空中へ浮いてゆくはずです。しかし、実際には容器の縁から容器の外へこぼれ「落ち」ます。ですから、重力は消失しません。
というより、温度が下がることで重力が消失するのなら、恒星から遠く離れた宇宙空間で温度が下がると重力が消失して、銀河系という星の集団を作ることができず、宇宙はバラバラになってしまいます。

前の回答で、電子がペアを作ると、電子のペア同士がぶつかってもぶつからずに相手の中をすり抜けることができる、と言うことを書きました。このように物質の粒子がぶつかり合わずにすり抜けるような状態をボーズ・アインシュタイン凝縮と呼びます。

ヘリウムは、2個の陽子と2個の中性子と2個の電子とからできているので、電子のペアと同じようにボーズ・アインシュタイン凝縮を起こします。この状態が超流動と呼ばれる状態です。この状態では原子と原子がぶつかり合わずにすり抜けるので、粘性がありません。この粘性がないと言うのが超流動の重要な特徴です。

液体ヘリウムの原子と容器の原子との間には、なにがしかの分子間力が働きます。この力が、ヘリウム原子1個を持ち上げるのに十分なだけの大きがあったとしたらどうなるでしょうか？

通常の液体の場合は、容器が液体の原子や分子を持ち上げようとしたときに、その分子の周囲の分子も粘性によりくっついてきます。場合によっては数百個から数千個の分子が粘性でくっついてきます。ですから、容器との間に働く力が、分子数千個を持ち上げるだけの大きさがないと、液体の分子は持ち上がりません。
しかし、超流動状態の液体ヘリウムは、粘性がありませんから、周囲のヘリウム原子がくっついてきません。従って、容器との間に働く力がヘリウム原子1個の重さより大きければ、ヘリウム原子は容器の壁との分子間力により壁をよじ登ることになります。

お礼

ご回答有難う御座います。

超流動ですが、ブラックホールの特異点とか、何らかの原因で、逆に重力が弱まって（もしくは飽和状態で）、どんどん強くなることが出来ないような仕組みがあると思います。
ブラックホールの特異点とか、一方的に重力がどんどん強くなる前に、（飽和状態のような感じで）重力の超伝導状態のようなボゾン粒子の状態のままになると考えます。
この重力が弱まる仕組み（超流動状態）を取り入れると、重力のほとんどの問題（ブラックホールの特異点、繰り込み不能）が解決すると思います。
直観的に間違いない気がします。

＞従って、容器との間に働く力がヘリウム原子1個の重さより大きければ、ヘリウム原子は容器の壁との分子間力により壁をよじ登ることになります。

重力が弱まるという可能性を完全に否定するものではないと思います。
単純に、重力が弱まると考えると方が素直な気がします。

＞恒星から遠く離れた宇宙空間で温度が下がると重力が消失して、銀河系という星の集団を作ることができず、宇宙はバラバラになってしまいます。
恒星は温度が高いので、強い重力が働き、集団を形成できると思います。

＞磁場などによって、ペアを壊すことで超伝導が消失することが実験で確かめられています。ですから、電子1個だけでは超伝導は発生しません。

超伝導の実験装置で、電子1個だけなら、超伝導にならず、永久運動をしない、、というのはイメージしにくいです。
ペアを壊すことで超伝導が消失するかもしれませんが、、

超流動、、、重力場のある種の飽和状態
超伝導、、、電磁場のある種の飽和状態

だと考えます。

補足

重力場も電磁場も、無限にボゾン粒子が詰め込めると考えられいますが、飽和状態があると考えるべきです。

回答No.1

fjnobu

超伝導は、電気抵抗が０になる現象です。超低温で起きる現象ですが、現在では零下20度ぐらいの温度でも起きるものが見つかっています。

お礼

ご回答有難う御座います。

＞現在では零下20度ぐらいの温度でも起きるものが見つかっています。
零下20度ぐらいの温度でも起きるものについても、ＢＣＳ理論で説明出来るのでしょうか？

ＢＣＳ理論の式って、とてつもなく複雑で難解なものではないでしょうか？
ＰＤＦを覗いてみたら、頭が破裂しそうになりました。
たまたま見たＰＤＦが、悪かったのでしょうか？
それとも、元々、難解な式なのでしょうか？

補足

超流動という現象がありますが、これは重力場が消えるので、物質が上に登ってくるのでしょうね。私はそのように考えます。如何でしょうか？