人人都见过的那个画面
你大概见过那段视频：一小块磁体放在一个小小的陶瓷盘上，有人往里倒入液氮，白雾翻涌而出，磁体随即升起，悬在空中纹丝不动，仿佛重力把它给忘了。那个盘子是超导体，而托住磁体的现象叫做迈斯纳效应。要理解它，我们得先澄清一个常见而诱人的误解。
诱人的误解是这样想：「它电阻为零，所以悬浮不过是这件事的副作用罢了。」诚然，零电阻是故事的一部分。但迈斯纳效应是另一种、更深一层的性质——事实上，它才是判断某物是否真为超导体的更好检验。让我们看看为什么。
完美导体与超导体
想象一种神奇的金属，它干脆没有电阻，但除此之外就是块普通金属——叫它完美导体。物理学有条规则：穿过这种金属的磁场只要一变化，就会激起一圈圈打转的电流来对抗这变化。由于没有电阻，这些打转的电流永不消退，于是它们把金属变得「完美」那一刻恰好穿过的磁场牢牢锁住。磁场就被冻结在原地。
关键的区别在这里。拿一块真正的超导体，趁它还热时把它放进磁场，然后冷却它越过临界温度。一块单纯的完美导体会把已经在它内部的磁场困住。但真正的超导体做的事更戏剧化：它一进入超导态，就把磁场从内部彻底推出去——不管这磁场原本在不在那里，都赶出来。这种主动的驱逐就是迈斯纳效应，而被冻结的磁场绝做不到这一点。
磁体如何凭空悬浮
现在悬浮就说得通了。超导体不肯让磁体的磁场进入内部。为了保持内部无磁，它在自己表面唤起一圈圈屏蔽电流——这些电流无电阻地流动，因而永不疲惫。这些电流造出自己的磁场，恰好在材料内部抵消磁体的磁场。在外部，这层表面磁场就像磁体的一个镜像，而磁体的镜像会反推它。这一推是向上的，正好平衡重力，磁体便悬住了。
由于超导体的反应是对抗任何推向它的磁场，物理学家说它是一个完美的抗磁体。抗磁体是指任何会靠建立一个反向磁场来微弱排斥磁场的材料；水和你自己的指尖都极其微弱地这么做着。超导体则做得完美而彻底——在这个意义上，它是世上最强的抗磁体。
- 磁体的磁场想要穿过冷的超导体。
- 超导体在表面建起永不疲倦的电流，在内部抵消那磁场。
- 这些电流在外部造出一个镜像磁场，排斥那磁体。
- 向上的排斥力平衡了重力，磁体便悬浮起来。
多强的磁场算太强
把磁场推出去要耗费超导体的能量，而它只承担得起这么多。如果你把磁场加强到足够大，就会到达一个临界点：此时让磁场涌进来反而对材料更「划算」——一到这一刻，超导就崩溃，金属又变回普通的了。这个破裂点的磁场强度叫做临界磁场。和临界温度一样，它是一道限度：太热，或磁场太强，魔法就会关闭。
这里有个值得现在就点出的转折。对最简单的超导体，那堵墙是干脆的：在临界磁场以下它把磁场彻底排出，在它以上则全盘放弃。但第二个家族的超导体应对强磁场要聪明得多，它让磁场一点一点地漏进来，而不是一下子投降。正是这一聪明的折中，让强大的超导磁体成为可能，而这正是后面某一篇的全部主题。
底下那一丝量子的影子
还有一条线索值得揣在口袋里。在某些超导体中，磁场可以从一个环或细管里溜过去，但绝不是随便什么量——它只能以固定的、一模一样的小包通过，就像只有单一面额的硬币。这叫做磁通量子化：穿过一个超导环路的磁场总量，永远是某个微小基本单位的整数倍，中间绝不会有零头。
磁性为什么会论整枚硬币地出现？因为说到底，一块超导体是一个铺满整块样品的、单一的量子之物——物理学家称之为宏观量子相干，意思是量子世界那些古怪的计数规则，平时藏在单个原子之内，在这里却出现在你一手就能握住的尺度上。磁通量子化正是它的铁证。下一篇我们将遇见让这一切成为可能的、电子的那种深层配对。