超导体，作为固体物理学的一个活跃分支，它的历史只有短短的几十年，而作为一门新技术应用于各个领域，那还是近三十年的事情。但是，不足百年的发展历史，就使它发展成为一门完整的科学，并以极大的优越性应用于电机、输电、磁流体发电、高能物理等方面，在电子技术、空间技术、受控热核反应，甚至与人们生活密切相关的交通运输和医疗等方面，都展示了乐观的前景。
1987年2月25日，国内各大报刊纷纷以大字标题登出了头条新闻：我国超导研究取得重大突破！新闻中讲到，中国科学院物理研究所近日获得起始转变温度在绝对100度以上的高临界温度超导体，“这项研究成果居于国际领先地位”。从此以后，报纸、电视、广播中不断传来世界各国科学家和中国科学家在超导研究中取得重大进展的消息。一时间，像一阵旋风一样，“超导热”席卷了全世界。
当一位平素并不太为人们所了解的演员突然间走红成为明星时，人们会以极大的兴趣来关注这位明星。对于当前科学舞台上超导体这位“明星”来说，大多数人还不够熟悉。那么，到底什么是超导体？超导体的研究有什么用处？超导研究的历史中有哪些重要的里程碑？科学家又为什么会对超导的研究如此重视呢？
物体的电磁性
看看我们的周围，如今多种电器已经在家庭中普遍得到应用。当你在漆黑的夜晚坐在白炽灯明亮的光线下读书时，当你在寒冷的冬季打开了电炉取暖时，你是否想到过白炽灯的光和电炉的热是怎样产生的？
物理学的发展，使我们对带电现象的本质了解得越来越深入了。我们都知道，组成物质的原子是由带正电的原子核和绕核旋转的带负电的电子构成的。在通常情况下，原子核所带的正电荷跟核外电子所带的负电荷相等。这时，原子是中性的，整个物体也不显电性，一旦物体得到或失去一些电子，使得原子核所带的正电荷跟核外电子所带的负电荷不相等，物体就表现出了带电性。而物体按照导电能力的强弱，可以分为导体、半导体和绝缘体。导体能够导电，是因为导体内部存在着可以自由移动的电荷。比如说，金属是导体，在金属内部所有的原子都按一定的秩序整齐地排列起来，成为所谓的晶格点阵。这些原子只能在规定的位置附近作微小的振动。原子中离核较远的一些电子，容易摆脱原子核的束缚，在晶格点阵之间自由地跑来跑去，这类电子叫自由电子。如果我们把晶格点阵比做一个大的果园，原子比做果树，那么晶格中的自由电子就好像一群在果树园中随意玩耍的天真活泼的孩子。当有外力作用时，自由电子便按一定的方向移动，形成电流。这就好像一声铃响，果树园中自由玩耍的孩子们，都向着一个方向跑去时一样。
玻璃、橡胶、塑料等不容易导电，我们称为绝缘体。在它们内部，绝大部分电荷都只能在一个原子或分子的范围内作微小移动，这种电荷叫束缚电荷。由于缺少自由移动的电荷，所以，绝缘体的导电能力差。
还有一类物体，像锗、硅以及大多数的金属氧化物、硫化物等，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，我们把这类物体叫半导体。
磁铁是我们日常生活中并不罕见的物体，在磁铁的周围存在着磁场。拿一块磁铁来，这个磁铁的两端就是它的两个极——南极（S极）和北极（N极），这两个极间的相互作用是通过磁场来进行的，磁场虽然看不见摸不着，但我们可以用磁力线来描绘它。在一根条形磁铁的上面放一块玻璃板，玻璃板上撒一层铁屑，轻轻敲打玻璃板，铁屑就会按一定的规则排列，将这些铁屑连成线条，我们叫它磁力线。它的疏密程度能反应磁场的强与弱，磁力线上面的每一点的切线方向，表示了这一点的磁场方向。电与磁是相互联系、相互转化的。我们知道，电流通过导线时，周围就会产生磁场。根据电流可产生磁场的道理，人们把导线绕成线圈，做成了电磁体，广泛应用在生产和日常生活中。
近代物理学的知识告诉我们，无论磁现象还是电现象，它们的本源都是一个，即电荷的运动。物体原子中的电子，不停地绕核旋转，同时也有自转，电子的这些运动便是物体磁性的主要来源。也就是说，一切磁现象都起源于电荷的运动，而磁场就是运动电荷的场。
不仅电流能够产生磁场，而且磁场的变化也可以产生电流，这叫电磁感应现象。电磁感应的发现，为工农业生产的电气化创造了条件。
温度是反映物体冷热程度的物理量，我们常用温度计来测量温度。人们还规定了在一个标准大气压下，冰溶解时的温度为零度，水沸腾时的温度为100℃，在0℃～100℃之间分成100等份，每1份就叫1℃。这种标定温度的方法叫摄氏温标。用摄氏温标表示温度时，应在数字后面写上符号“℃”。
在热力学理论和科学研究中，还常用另一种温标叫绝对温标，这种温标不是以冰水混合物的温度为零度，而是以-273.15℃作为0℃，叫绝对零度。绝对温度的1度叫1开，用字母“K”表示。同一个温度可以用摄氏温标表示，也可以用绝对温标表示，它们之间的关系为：T=t 273.15（K），这里T为绝对温度，t为摄氏温度。
水蒸气遇冷可以凝结成水，但要让空气凝结成液体，却不是件容易的事。经过长期的实践，人们发现，在一个大气压下，空气要在81K（约为-192℃）以下，才可以液化。换句话说，液态空气在一个大气压下的沸点为81K，这样，人们便把低于81K以下的温度称为低温。至于氢气和一些惰性气体的液化温度，那就更低了。如果我们能用特殊技术使这些气体液化，并把它们置于特殊的容器中保存起来，这样就可以获得极低的温度。这些温度和我们的生活环境差距如此之大，许多物质在这样低的温度里显示了从未有过的奇异的特殊规律。研究物质在低温下的结构、特性和运动规律的科学，就叫低温物理。
19世纪末，随着工农业生产的迅速发展，低温技术也日益提高，一个个曾被认为不能液化的“永久气体”相继被液化，使人们获得了越来越低的温度，为探索未知世界的奥秘提供了强有力的武器。终于在20世纪初叶，揭开了超导体研究的序幕。
奇异的低温世界
提起低温，我们往往会联想到千里冰封、万里雪飘的北国风光，在我国北方度过了童年时代的人们更会浮想起许多愉快的儿时往事：玻璃窗上美丽的冰花图案、雪球激战、白雪老人……居住在北方的少年朋友，你们对这些场景一定不会感到陌生吧！除此之外，我们也会想到人类的老祖先曾经和漫长严寒的冰期作过多少万年的艰苦斗争，更会想到南、北极那终年不融的冰山。经过漫长的历史岁月，人们早已战胜了普通的冰雪低温。在现代，除了探索地球南北极大自然的奥秘外，摆在科学工作者面前的一个任务便是向更低的温度进军了。
1784年，英国的化学家拉瓦锡曾预言：假如地球突然进到极冷地区，空气无疑将不再以看不见的流体形式存在，它将回到液态，这就会产生一种我们迄今未知的新液体。他的伟大预言一直激励着人们试图实验气体的液化，或者尝试达到极低的温度。
法拉第是19世纪电磁学领域中最伟大的实验物理学家。他生于伦敦近郊的一个小村子里，父亲是个铁匠，家境十分贫寒，所以法拉第的青少年时期没有机会受到正规的学校教育，只是学了一点读、写、算的基本知识。但他勤奋自强，自学成才，完全凭借自己的努力、胆略和智慧，从一个书店报童到装订书的学徒再到皇家研究院实验室的助理实验员，最后成为一名著名的实验物理学家。
1823年，法拉第开始了气体液化的实验研究。当时，他正在皇家学院的实验室做戴维的助手。有一天，法拉第正在研究氯化物的气体性质，他用一根较长的弯形玻璃管进行他的实验：把一种氯化物装在管子的较长端，然后密封玻璃管的两端，加热管子的较长端，他突然发现在玻璃管的冷端出现了一些油状的液滴，法拉第马上就意识到，这液滴是氯。由于加热，密封管中的压强必然增大，但只有冷端收集到液态的氯，这说明影响气体液化的因素不只是压强，除了压强之外，还有温度。1826年，法拉第又做了一个实验，这次他将管子的短端放在冰冻混合物中，结果收集到的液氯更多了。从这以后，法拉第开始对其他气体进行研究，他用这种方法陆续液化了硫化氢、氯化氢、二氧化硫、乙炔等气体。到了1845年，大多数的已知气体都已经被液化了，而氢、氧、氮等气体却丝毫没有被液化的迹象。当时有许多科学家认为，它们永远也不会被液化了，它们就是真正的“永久气体”。
然而，实验家们并没有就此罢休，他们设法改进高压技术，试图用增大压强的方法来使这些“永久气体”液化。有人将氧和氮封在特制的圆筒中，再沉入海洋约1.6千米深处，使压强大于200个大气压；维也纳的一位医师纳特勒在19世纪中叶曾选出能耐300大气压的容器来做实验，但最终都未成功，空气始终未能被液化。
法国物理学家卡尼承德·托尔，在1822年曾做过一个实验，他把酒精装在一个密闭的枪管中，由于看不见枪管中发生的现象，他就设法利用听觉来帮助自己。他将一个石英球随酒精一起封进枪管内，利用石英球在液体中滚动和在气体中滚动所发出的不同声音来辨别枪管内的酒精是液态还是气态。他发现在足够高的温度时，酒精完全变成了气态。
为了搞清楚这个过程是怎样发生的，他改用密封的玻璃管进行实验，在管内充入部分酒精，一边加热一边观察。然而，尽管玻璃管很坚固，每当液体只剩一半时，玻璃管就会突然爆炸。这到底是为什么呢？他再一次进行上述实验，结果玻璃管还是毫不例外地发生了爆炸。经过多次反复的实验，托尔最后得出结论：当酒精加热到某一温度时，将突然全部转变成气体，这时的压强将达到119个大气压。当然，在这样大的压强下，什么样的玻璃管也将会发生爆炸的。
托尔对酒精汽化现象的研究，引起了人们的重视，人们纷纷开始对其他液体进行研究，发现任何一种液体，只要是给它不断地加热，在某一温度下，它都会转变成气体，这时容器内部由气体产生的压强将显著增大。就这样，托尔对气液转变现象的研究，使他成了临界点的发现者。然而，遗憾的是，当时托尔对之并不能解释，直到1869年，安德鲁斯全面地研究了这一现象，才搞清楚了气液转变的全过程。
安德鲁斯是爱尔兰的化学家，见伐斯特大学化学教授。1861年，他用了比别人优良得多的设备从事气液转变的实验。他从托尔的工作中吸取了经验，托尔用酒精做的实验是相当成功的。后来安德鲁斯换用水来做这个实验，但由于水的沸点太高，压强要大到容器无法支持的地步，因此没有做成这个实验。于是，安德鲁斯就选了二氧化碳（CO2）作为工作物质。他把装有液态和气态的二氧化碳的玻璃容器加热到30.92℃时，液气的分界面变得模糊不清，失去了液面的曲率，而温度高于30.92℃时，则全部处于气态。当温度高于这个数值时，即使压力增大到300或400个大气压，也不能使CO2液化，他把这种气液融合状态叫临界态，这个温度值叫临界温度。在这些实验的启示下，人们进而设想每种气体都有自己的临界温度，所谓的“永久气体”可能是因为它们的临界温度比已获得的最低温度还要低得多，只要能够实现更低的温度，它们也是可以被液化的。问题的关键在于寻找获得更低温度的方法。
在“永久气体”中，首先被液化的是氧。1877年，几乎同时有两位物理学家分别实现了氧的液化。一位是法国人盖勒德，一位是瑞士人毕克特。
盖勒德早先是矿业工程师，他最初也是试图通过施加高压强来使气体液化。他用的工作物质是乙炔，乙炔在常温下，大约加到60个标准大气压就足以液化。可是盖勒德的仪器不够坚固，不到60个标准大气压就突然破裂了，被压缩的气体迅速跑出去，就在容器破裂的瞬间，他注意到器壁上形成了一层薄雾，很快就又消失了。他立即醒悟到，这是因为在压强消失之际，乙炔突然冷却，所看到的雾是某种气体的短暂凝结，不过当时盖勒德却把它误认为是乙炔不纯，含有水汽所凝结成的水雾。于是，他从化学家贝索勒特的实验室里要了一些纯乙炔，再进行试验。实验的结果还是出现了雾，这样，他才断定这雾原来就是乙炔的液滴。盖勒德的乙炔实验虽然走了一点小弯路，但却找到了一种使气体液化的特殊方法。
接着，他尝试使空气液化，以氧作为他的第一个目标。他之所以首选氧，是因为纯氧比较容易制备。他将氧气压缩到300个标准大气压，再把盛有压缩氧气的玻璃管放到二氧化硫的蒸气中，这时温度大约为-29℃，然后再让压强突然降低，果然在管壁上又有薄雾出现，他重复做了这个实验很多次，结果都是一样，最后盖勒德肯定，这薄雾就是液态氧。
有趣的是，正当盖勒德在法国科学院报告这一成果时，会议秘书宣布了不久前接到的毕克特的电报，电报说他在320个标准大气压和-140℃下联合使用硫酸和碳酸，液化氧取得了成功。
虽然盖勒德的实验只是目睹了氧的雾滴，并没有把液态氧收集到一起保存下来，然而他的方法却在后来其他气体的液化中得到了应用。
1895年以后，低温物理学在工业上的应用与日俱增，主要用途是为炼钢工业提供纯氧。正在这个时候，英国皇家学院的杜瓦为研究绝对零度附近的物质的性质，也在致力于解决低温的技术问题。1885年，他改进了前人的实验方法，获得了大量的液态空气和液氧，并在1891年发现了液态氧和液态臭氧都有磁性。1898年，杜瓦发明了一种特殊的绝热器，当时叫做低温恒热器，后来也称为杜瓦瓶。他将两个玻璃容器套在一起，联成一体，容器之间抽成真空，这样的瓶就可以盛大量液氧了。1893年1月20日杜瓦宣布了他的这项发明。1898年，杜瓦用自己的新型量热器实现了氢的液化，达到了20.4K的低温，第二年实现了氢的固化，靠抽出固体氢表面的蒸气达到了12K的低温。
杜瓦以为液化氢的成功开启了通过绝对零度的最后一道关卡，谁知道他的残余气体中竟还有氦存在。他和助手们想了很多办法，经过数年的努力，但终未能实现氦的液化。
正当世界上几个低温研究中心致力于低温物理研究时，从事低温领域研究的最出色的是荷兰物理学家卡默林·翁尼斯。他以大规模的工程来建筑他的低温实验室——莱登实验室。他的实验室的特点是：把科学研究和工程技术密切结合起来，把实验室的研究人员和技师组织起来，围绕一个专题，分工负责，集中攻关。相比之下，他的低温设备规模之大，使同时代以及早于他的著名实验室的设备简直变成了“小玩具”。这样，翁尼斯领导的低温实验室——莱登实验室成了国际上研究低温的基地。
1908年的一天，历史性的日子终于到来了，这一天的实验室工作是从早晨五点半开始一直工作到夜间九点半。全体实验室工作人员都坚守在各自的工作岗位上，他们正在进行氦的液化实验，他们是多么渴望看到人类从没有看到过的液化氦啊！可是，氦气能够液化吗？大家都在担心着。墙上的挂钟“滴嗒滴嗒”地响个不停，时间在一秒一秒地消逝。人们屏住了呼吸，全神贯注地注视着液化器。他们先把氦预冷到液氢的温度，然后让它绝热膨胀降温，当温度低于氦的转变温度后，再让它节流膨胀，然后再降温，这一系列的过程在液化器中反复多次地进行着。终于在下午六点半，人类第一次看到了它——氦气被液化了！初看时还有点令人不敢相信是真的，液氦开始流进容器时不太容易观察到，直到液氦已经装满了容器，事情就完全肯定了。当时测定在一个大气压下，氦的沸点是4.25K。莱登实验室的所有人都异常兴奋，奔走相告，互相祝贺，欢笑的声浪传向全世界。
莱登实验室的全体工作人员并没有满足于已取得的成绩，在翁尼斯的指挥下，他们快马加鞭，乘胜前进，继续夜以继日地工作着。他们了解，如果降低液氦上的蒸气压，那么随着蒸气压的下降，液氦的沸点也会相应降低。他们这样做了，并且在当时获得了4.25K～1.15K的低温。
当然，在无边无际的宇宙里，按我们的标准来看许多物质是处于极低温状态的，但是在地球上，人类以自己的智慧和劳动踏入了从未进入的奇异低温世界。自1908年以来，人类经过了93年的研究，在这个奇异世界里，人们发现了许多奇异的现象，其令人神往之处不亚于南北极的冰天雪地，胜过宇宙中的低温，因为在这里人们可以控制实验室条件，细心地观察新的事物。在现代，液氦制冷的低温技术仍是低温领域中的重要手段，大量的实验工作离不开氦液化器……人们有理由为此感到自豪，同时也期待着，在这个低温世界里会看到怎样更新天地啊！
揭开超导研究的序幕
事物都是一分为二的，导体的一方面有善于导电的性质，另一方面又对电流有阻碍作用。这是因为自由电子在定向运动中，还不时地和处于晶格点阵上的正离子相互作用而产生碰撞，从而阻碍自由电子的运动。这种对运动电荷的阻碍作用称为电阻。在一般情况下，所有导电的物体，即使导电性能最好的银，也有电阻，电流通过时，仍然会发热，选成损耗。这是在常温下物体的性质，那么在温度为4.2K，乃至更低的温度下，物体的性质有什么变化呢？
1911年，翁尼斯和他的助手们在实验中发现了一个特殊的现象：当金属导体的温度降到10K以下时，其电阻会明显下降，特别是当温度低于该金属的特性转变点以下时，电阻会突然下降到10——9欧姆以下。这种现象是以前没有发现的，大家对此都非常感兴趣，于是他们取水银作为研究对象。一天，当他们正在观察低温下水银电阻的变化的时候，在4.2K附近突然发现：水银的电阻消失了！这是真的吗？他们简单不敢相信自己的眼睛了。他们在水银线上通上几毫安的电流，并测量它两端的电压，以验证水银线上的电阻是否真的为零。结果他们发现，当温度稍低于-269℃（4.2K）时，水银的电阻确实突然消失了。毫无疑问，水银在4.2K附近，进入了一个新的物态。在这一状态下，其电阻实际变为零。
翁尼斯和他的助手们反复研究了这一现象，他们把这种在某一温度下，电阻突然消失的现象叫超导电现象，把具有超导电现象性质的物质叫做超导体，把物质所处的这种以零电阻为特征的状态，叫做超导态。尽管翁尼斯等人已经明确给出了超导体的一些明确定义，但是要识别零电阻现象并不是很容易做到的。在当时的实验条件下，用仪表直接测量来证明水银的电阻为零，实际上是很难做到的。于是翁尼斯又设计了一个更精密的实验：他将以前的装置进行了简化和改进，把一个铅制的圆圈放入杜瓦瓶中，瓶外放一磁铁，然后把液氦倒入杜瓦瓶中使铅冷却变成超导体，这时如果将瓶外的磁铁突然撤除，铅圈内便产生感应电流。如果这个圆铅环的电阻确实为零，这个电流就应当没有任何损失地长期流下去，这就是著名的持续电流实验。实际上，在1954年，人们在一次实验中开始观察，这个电流从1954年3月26日开始，一直持续到1956年9月5日，在长达二年半的时间里，持续电流未见减弱的迹象。最后，由于液氦供应中断才使实验中止。这就是说，圆环里面的电子，好像坐上了没有任何摩擦的转椅，一旦转动起来，就一直转下去，几年停不下来，永远也停不下来了。
直到目前为止，还没有任何证据表明超导体在超导态时具有直流电阻。最近，根据超导重力仪的观测表明，超导体即使有电阻，电阻率也小于10——25欧姆·米，和良导体铜相比，它们的电阻至少相差1016倍，这个差别就好像用一粒直径比针尖还要小的细砂去和地球与太阳之间的距离相比，这真是天壤之别了。可以认为，超导体的直流电阻就是零，或者说，它就是一个具有完全导电性的理想导体。
低温技术的发展，使人们获得了比液氦温度更低得多的温度。对大量金属材料在低温下检验的结果表明，超导电性的存在是相当普遍的。目前已发现二十多种金属元素和上千种的合金化合物具有超导电性。从元素周期表中，我们可以看到：金、银、铜、钾、钠等金属良导体是不超导的；铁、钴、镍等强铁磁性或强反铁磁性物质也是不超导的，而那些导电性能差的金属，如钛、锆、铌、铅等都是超导体。
为什么金属良导体反而不是超导体？为什么超导体对直流电是完全导电的理想导体，对交流电却有电阻呢？人们在更进一步探索新事物本质的过程中，这些问题逐一得到了解答。
1911年翁尼斯在发现超导电性的同时，还发现，超导电性能够被足够强的磁场所破坏，但是人们的注意力当时集中在零电阻现象上，一直认为零电阻是超导体的惟一特性。一直到20世纪30年代，荷兰人迈斯纳和奥森菲尔德按照翁尼斯的发现，对围绕球形导体（单晶锡）的磁场分布进行了细心的实验测量。他们惊奇地发现：对于超导体来说，不论是先对其降温后再加磁场，还是先加磁场后再降温，只要是对它施加磁场，而且锡球渡过了超导态，在锡球周围的磁场都突然发生了变化，当锡球从非超导态转入超导态时，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外，这就是说，超导体内部的磁感应强度总是零。这个现象叫超导体的完全抗磁效应，由于是迈斯纳等人具体操作发现的，所以也叫迈斯纳效应。为了观察和了解超导体的完全抗磁性，迈斯纳等人又设计了一个简单易观察的实验，让我们来了解这个效应。
在一个长圆柱形超导体样品表面绕一个探测线圈，沿着样品的轴线方向加一个磁场。这时，长圆柱形样品的磁通量增加，线圈中就出现瞬时电流，这时电流计指针就向正方向转过一个角度。然后慢慢冷却样品，当温度经过转变温度点时，电流计指针突然出现一个反方向转角，偏角的大小与正向偏角相等。然后无论是撤出或是增加外磁场，电流计的指针再也没有丝毫偏转。为什么会出现这样的实验现象呢？原来，当圆柱形样品被降温经过临界温度时，探测线圈内出现了一个和当初加上外磁场时大小相等、方向相反的瞬时电流。根据电磁感应定律，我们可以知道，产生这个电流的原因，是因为磁通量的减少。
这就告诉我们，在物体进入超导态的那一瞬间，穿过样品的磁通量突然全部被排出去了。这以后人们也进行了很多实验，所有的实验结果都表明：只要样品处于超导态，它就始终保持内部磁场为零，外部磁场的磁力线统统被排斥到体外，无论如何也无法穿透它。
人们常常喜欢用流体的流线来比喻磁场的磁力线，我们也可以这样来比喻超导体的完全抗磁性。在临界温度以上，处于外磁场中的超导体和普通金属导体一样，好像一只浸泡在河水中的竹篮子，河水可以自由地从篮子里面穿过。而当温度一旦降低到临界温度以下时，竹篮子的器壁突然变得致密起来，变成了一只滴水不透的木桶了，河水只能从它周围流过。为什么会有这种情况出现呢？原来在超导体的表面产生了一个无损耗的抗磁超导电流，正是这个抗磁超导电流产生的磁场恰好将超导体的内部磁场抵消了。
既然超导体可以无损耗地传输直流电流，可是任何电流都必然要产生磁场，而超导体的完全抗磁性又不允许内部有任何磁场存在，那么这个矛盾怎样解决呢？
当电流沿着一个圆筒形的空心导线流过时，它产生磁场的情形是我们大家都熟悉的。这时候电流只是均匀地分布在圆筒的各个部分，圆筒的心部（空心部分）没有电流。由于圆筒的对称性，它的各部分上的电流在心部所产生的磁场彼此恰好抵消，因此心部合磁场为零。电流的磁场只分布在圆筒及其外部空间上。超导体传输直流超导电流时的情形也是这样，超导电流只存在于超导体表面的薄薄的一层，叫做穿透层，超导体内部不允许有任何宏观电流流过，就好像一个薄薄的圆筒形导线一样。超导电流的磁场只分布在穿透层及其外部空间上。这样既完成了传输超导电流的任务，又不会在超导体内产生任何磁场。
超导体和正常金属中，电流的分布是不同的。假如一根超导线两端和铜线相连，那么在铜线中流过的是正常电流，它均匀地分布在整个铜线的横截面上，在超导线中流过的是超导电流，它分布在超导体表面的薄薄的穿透层中。我们可以把铜线比做宽阔平坦的公路，超导体就可以说是一条有街心公园的大街，车辆只能从两侧驶过。在两端的接头处，发生了正常电流和超导电流之间的转化。
超导体的完全抗磁性是无法用超导体所具有的完全导电性来解释的。因为一个电阻为零的单纯的完全导体，它只能保证自己内部的磁通量不再发生任何变化，原有的磁通量不会失去，新增的磁通量也不能进来。内部磁场是否为零，取决于超导体原来的状况，就是要由它的历史状态来决定。但是实验中所观察到的超导体的性质却不是这样。由于超导体的完全抗磁性，不管原来内部有没有磁通量，一旦变成超导态，立即将全部磁通量都排斥出去，内部磁场永远为零，和历史状态无关。可见，完全抗磁性和完全导电性是超导体的两个基本特性，它们彼此之间不能由一个推导出另一个。因此，我们不能说超导体是单纯的理想导体，或单纯的理想抗磁体。
解开超导之谜
科学的任务要求我们不断地发现新事物并为它的应用开辟道路，不仅要发现新现象，还要揭示它的本质。超导体既不是单纯的理想导体，又不是单纯的理想抗磁体，那它到底是什么呢？
在探索超导体本质的科学实验过程中，随着它的性质一个又一个地被揭示出来，人们的认识也一层又一层地逐步深化。有这样一个实验现象引起了人们的极大兴趣：我们将超导体在转变过程中不和外界发生热量交换，将超导体放入一个绝热器中，给它加一个非常大的磁场，这样超导体在大磁场的作用下将转变为正常态，这个磁场叫超导体的临界磁场。这时候，转变为正常态的超导体，它的温度将下降；相反，还是在这个绝热器中，撤掉外加磁场，使它回到超导态，它的温度又将升高。如果我们设法保持温度不变，即在等温条件下转变，我们发现当外加磁场超过临界磁场，超导体由超导态转变为正常态时要吸收热量，反之则要放热。这种伴随着热量变化的状态改变，使人们想到了相变。
相变对我们大家来讲并不陌生。春天来了，和煦的阳光照着大地，冰雪消融，化作涓涓细流，汇入江河湖海。这是水从固相变成了液相，也叫固态变成了液态。根据日常的经验，我们知道，冰雪化成水时，要吸收许多热量，常常造成气温下降。“下雪不冷化雪冷，春天冻人不冻地”这一句俗语说的就是这个道理。固体受热变成液体，所吸收的热量叫熔解热。盛在敞口容器里的水会慢慢地枯竭，晾在院子里的湿衣服会逐渐变干，开水壶里的水越烧越少，这都是因为水变成水蒸气跑到空气中去了，这时水从液态就成了气态。手沾水后感到凉；水在沸腾时尽管在火炉上继续加热，但温度并不升高。这些现象都说明液体在汽化时要吸收热量，这个势量叫做汽化热。
自然界许多物质都是以固、液、气三种形态存在着的，并且这三种形态可以互相转变。物质的这种形态叫做相（或者态），不同形态之间的转变叫相变。伴随着相变而吸收或放出的热量叫物质的潜热。
对于有些物质来说，固态的存在形式往往有很多种。许多固体在不同的温度和压强下，内部的粒子（分子、原子等）有各自不同的规则排列，即各种不同的点阵结构，不同的点阵结构的固体也属于不同的相。因为固体从一种点阵结构变为另一种点阵结构的过程，也是一种相变，称为同素异晶转变。固体的这种相变，也伴随着热量的变化。
超导体由正常态到超导态的转变过程中，有潜热发生，因此也是一种相变，也就是说，超导态是固体的一种新的状态。处于超导态的超导体既不是简单的理想导体，也不是简单的理想抗磁体，它与导体、半导体和绝缘体有着本质的区别。当我们认识了超导态与正常态之间的新的相变过程之后，可以说，我们对超导体的研究已经更加深入了一步。由于近半个世纪许多物理学家的辛勤劳动成果的积累，揭开超导之谜的时机已经逐渐酝酿成熟，应该是瓜熟蒂落的时候了。
自然界中的所有相变，虽然彼此是不同的，各有它们自己的特殊性，但是在微观上看来，却都具有一个共同的地方，就是物质在发生相变的时候，都伴随着组成物体的微粒的分布秩序的变化。
用X光对超导体内部结构的检验表明，在正常态向超导态转变前后，物质的晶格结构并没有变化，超导态物质的原子和正常金属原子一样，整齐地排列在晶格上。事实上，超导体内部秩序的改变并不是发生在原子之间，而是发生在更小的微粒——电子之间。
超导体在正常态时，它的原子失去部分电子而以离子形式排列在晶格上，脱离原子的自由电子弥散在整个导体内部，形成了“电子气”，这时的电子是全然没有秩序的。进入超导态以后，自由电子不再是完全没有秩序的气体，而是同具有一定秩序的液体分子很相似了。其中一部分电子俩俩携起手来，结成了有秩序的电子对。随着温度的降低，结成电子对的电子越来越多，从而秩序越来越好。当温度无限接近于绝对零度的时候，所有可能结成对的电子都成为有秩序的电子对了。这时，电子就从漫无秩序变成井然有序了。所以超导态和正常态的最基本的区别就在于超导态中存在着有秩序的电子对，它的完全导电性，完全抗磁性，全都是由这种有秩序的电子对引起的。
电子都带有负电荷，同性电荷互相排斥，但超导体内的电子却能互相结合，形成电子对，这是为什么呢？原来在他们之间除了静电斥力之外，还有一种通过晶格振动的间接作用而引起的吸引力。间接作用是一种相当普遍的现象，在日常生活中我们经常会看到这样的情形：在一座铁索桥上，相隔一定的距离走着甲、乙两个人，当甲行走时，使铁索摇晃，因而乙也随着摇晃起来，这就是甲和乙之间的间接作用现象。在超导体内，组成晶格的离子，以一定的作用力相互作用着，每个离子的运动都是彼此关联的，它们的运动是作为不可分割的整体进行的集体运动。这种集体运动的结果，形成了一个以声速在晶格上传播的叫做格波的波动。当一个电子和晶格发生了作用，电子的动量发生了改变，晶格的运动也发生了改变；下一时刻另一个电子也可能和晶格发生了作用，恰好使晶格恢复了原来的格波运动。这样，通过电子—晶格作用，晶格的运动没有改变，两个电子的动量却发生了变化，这就是它们之间的间接作用。
通过大量的计算，人们得知，由晶格引起的这种间接作用是吸引力。很显然，这种作用越强，吸引力就越大。处于正常态的超导体，随着温度的降低，电子热运动逐渐减弱，当温度达到临界温度时，电子间的间接作用力大于静电斥力，电子间的总作用力是吸引力，这样电子便俩俩结合成为有秩序的电子对。物体由正常态转变为超导态时，温度越低，电子间的吸引力越强，结成的电子对就越多。反之，处于超导态的超导体，随着温度的升高，由于热激发，有些电子对吸收了一定能量，便拆开为单个电子。温度越高，拆开的单个电子越多，电子对就越少。当温度超过临界温度时，电子对全部拆开成为单个电子，超导电性消失，物体便处于正常态了。
就是这样，当一切问题在物理学家的手里一一得以解决之后，超导之谜也就大白于天下了！1972年，全世界许多人都以尊敬的目光注视着美国科学家巴丁在这一年再度获得诺贝尔奖金，成了世界上惟一的两次获得诺贝尔物理奖的人。这次，他是和两名年轻的物理学家库柏和徐瑞弗共同获得的。他们终于成功地用电子对阐明了物理学上长期的疑难问题——超导电现象，建立了微观超导理论，现在通常把他们所建立的超导微观理论称为BCS理论。有了科学的理论，也就找到了解决种种疑难问题的钥匙。
从历史学家的眼光看来，21世纪已经来临，而科学家们在回顾20世纪已度过的时光和展望未来时，对超导电的发现、发展感到欢欣鼓舞，一派春光在前。在短短的几十年里，数以千计的超导磁体在工作着。各种大规模的磁体正广泛应用在各个领域，装备着许多现代化的实验室，用于一系列的尖端科学研究。
超导发电机的诞生，使得发电机的输出功率一下子提高了几十倍、几百倍，使得电子技术的发展进入了一个崭新的历史阶段。磁流体发电已应用于军事上的大功率脉冲电源和舰艇电力推进的技术上。
利用超导磁体实现磁悬浮，使我们的列车像插上了神奇的翅膀，车一开动，很快就可以加速到时速50千米，跑过五六十米的一段距离之后，便在轨道上悬浮起来。当时速超过550千米时，前进的阻力只是空气的阻力了，如需要再进一步减少阻力，可以设想在真空管道中运行，时速可以提高到1600千米，可以想像，奔向21世纪的超导列车将是怎样的风驰电掣啊！据报道，日本国铁公司超导电磁悬浮实验车，于1979年底创造了时速504千米的记录。看来，这种给交通运输带来革命的新式交通工具的诞生，已不是遥远的事情了。