人人都見過的那個畫面
你大概見過那段影片：一小塊磁體放在一個小小的陶瓷盤上，有人往裡倒入液氮，白霧翻湧而出，磁體隨即升起，懸在空中紋絲不動，彷彿重力把它給忘了。那個盤子是超導體，而托住磁體的現象叫做邁斯納效應。要理解它，我們得先澄清一個常見而誘人的誤解。
誘人的誤解是這樣想：「它電阻為零，所以懸浮不過是這件事的副作用罷了。」誠然，零電阻是故事的一部分。但邁斯納效應是另一種、更深一層的性質——事實上，它才是判斷某物是否真為超導體的更好檢驗。讓我們看看為什麼。
完美導體與超導體
想像一種神奇的金屬，它乾脆沒有電阻，但除此之外就是塊普通金屬——叫它完美導體。物理學有條規則：穿過這種金屬的磁場只要一變化，就會激起一圈圈打轉的電流來對抗這變化。由於沒有電阻，這些打轉的電流永不消退，於是它們把金屬變得「完美」那一刻恰好穿過的磁場牢牢鎖住。磁場就被凍結在原地。
關鍵的區別在這裡。拿一塊真正的超導體，趁它還熱時把它放進磁場，然後冷卻它越過臨界溫度。一塊單純的完美導體會把已經在它內部的磁場困住。但真正的超導體做的事更戲劇化：它一進入超導態，就把磁場從內部徹底推出去——不管這磁場原本在不在那裡，都趕出來。這種主動的驅逐就是邁斯納效應，而被凍結的磁場絕做不到這一點。
磁體如何憑空懸浮
現在懸浮就說得通了。超導體不肯讓磁體的磁場進入內部。為了保持內部無磁，它在自己表面喚起一圈圈屏蔽電流——這些電流無電阻地流動，因而永不疲憊。這些電流造出自己的磁場，恰好在材料內部抵消磁體的磁場。在外部，這層表面磁場就像磁體的一個鏡像，而磁體的鏡像會反推它。這一推是向上的，正好平衡重力，磁體便懸住了。
由於超導體的反應是對抗任何推向它的磁場，物理學家說它是一個完美的抗磁體。抗磁體是指任何會靠建立一個反向磁場來微弱排斥磁場的材料；水和你自己的指尖都極其微弱地這麼做著。超導體則做得完美而徹底——在這個意義上，它是世上最強的抗磁體。
- 磁體的磁場想要穿過冷的超導體。
- 超導體在表面建起永不疲倦的電流，在內部抵消那磁場。
- 這些電流在外部造出一個鏡像磁場，排斥那磁體。
- 向上的排斥力平衡了重力，磁體便懸浮起來。
多強的磁場算太強
把磁場推出去要耗費超導體的能量，而它只承擔得起這麼多。如果你把磁場加強到足夠大，就會到達一個臨界點：此時讓磁場湧進來反而對材料更「划算」——一到這一刻，超導就崩潰，金屬又變回普通的了。這個破裂點的磁場強度叫做臨界磁場。和臨界溫度一樣，它是一道限度：太熱，或磁場太強，魔法就會關閉。
這裡有個值得現在就點出的轉折。對最簡單的超導體，那堵牆是乾脆的：在臨界磁場以下它把磁場徹底排出，在它以上則全盤放棄。但第二個家族的超導體應對強磁場要聰明得多，它讓磁場一點一點地漏進來，而不是一下子投降。正是這一聰明的折中，讓強大的超導磁體成為可能，而這正是後面某一篇的全部主題。
底下那一絲量子的影子
還有一條線索值得揣在口袋裡。在某些超導體中，磁場可以從一個環或細管裡溜過去，但絕不是隨便什麼量——它只能以固定的、一模一樣的小包通過，就像只有單一面額的硬幣。這叫做磁通量子化：穿過一個超導環路的磁場總量，永遠是某個微小基本單位的整數倍，中間絕不會有零頭。
磁性為什麼會論整枚硬幣地出現？因為說到底，一塊超導體是一個鋪滿整塊樣品的、單一的量子之物——物理學家稱之為宏觀量子相干，意思是量子世界那些古怪的計數規則，平時藏在單個原子之內，在這裡卻出現在你一手就能握住的尺度上。磁通量子化正是它的鐵證。下一篇我們將遇見讓這一切成為可能的、電子的那種深層配對。