顛覆性發現存在數據疑團？室溫超導論文現身，引起學界熱議

超導現象 圖片來源：Wikimedia Commons

編譯 魏瀟

編輯 戚譯引

7 月 23 日，論文預印平台 arXiv 上出現了一項幾乎可以震驚整個物理學界的發現：兩名印度學者聲稱，他們將金和銀的混合材料製備成納米顆粒，構建出了世界上第一個室溫超導體。在這份 13 頁的論文中，作者對這一新材料進行了電阻和抗磁性測量，並表示這種材料經過改良後可以在高達 46.85℃ 的環境下進入超導狀態。

如果這項未經任何同行評議的研究結果是真的，那它無疑會掀起一場翻天覆地的科技變革。室溫超導一直被眾多物理學家奉為這個領域的「聖杯」，因為大多數超導體只有被冷卻到絕對零度（-273.15℃）左右才能進入電阻值可以忽略不計的超導狀態。就算是目前被認為「最溫暖」的超導體——超高壓下的硫化氫——也只能在 -70℃ 的溫度下達到超導狀態。「室溫超導體不僅會改變物理學，還會改變我們現實生活中的許多方面，」麻省理工學院（MIT）的物理學家布萊恩·斯金納（Brian Skinner）如此評論，「這意味著你可以毫無損耗地傳輸電力。」這不僅僅能為其發現者贏得諾貝爾獎，它還將徹底改造我們的電力基礎設施。

在目前已知的超導體中，硫化氫（右上角）進入超導狀態的臨界溫度是最高的。 圖片來源：Wikipedia

這篇可以稱得上是「顛覆性成果」的常溫超導論文一在 arXiv 上出現就吸引了諸多同行學者們的目光。然而在隨後的 20 多天里，人們發現它帶來的遠遠不止興奮和激動，還有批評、質疑和鬧劇。

重大突破還是標題黨？

這篇題為《納米結構在室溫常壓下達到超導狀態的證據》（Evidence for Superconductivity at Ambient Temperature and Pressure in Nanostructures）的論文，其作者 Dev Kumar Thapa 和 Anshu Pandey 都來自印度科學院的固態結構化學研究室（Solid State and Structural Chemistry Unit, Indian Institute of Science），通訊作者 Pandey 是一作 Thapa 的博士導師。在論文中，他們將極小的銀微粒嵌入到了金的網格中，並將這種混合物製備成了納米顆粒，進而製成薄片附在電極上面，以便測量其電阻。

（https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1807/1807.08572.pdf）

作者在論文中表示，在測試過程中，他們將溫度降低到 236K （-37.15℃）時，這種材料的電阻降到了 100 毫歐以下。報告中說由於儀器精度的限制，他們推測實際的測量值可能還要更低。這意味著這種狀態下該樣品的電阻可能小於 0.1 納歐，比普通金銀的電阻整整低兩個數量級。

該金銀混合材料在臨界溫度時的電磁特性（電阻值與體積磁化率）。圖片來源：https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1807/1807.08572.pdf

完全抗磁性是材料進入超導狀態的一個重要特徵，在這方面，論文作者測量了材料的體積磁化率隨溫度的變化。發現它在 236K 時從 0 降到了-0.06。這個值距離理想超導體的 -1 還差得很遠，但是研究人員給出了一個解釋理由：他們製備的金銀混合材料的純度不夠。這個數值意味著最多只有 6% 的樣品體積達到了超導狀態。

有專家認為「這個實驗很有說服力」：印度數學科學研究所的理論物理學家甘納西·巴斯卡蘭（Ganapathy Baskaran）認為，「對於顆粒超導來說，材料中有 10% 的體積達到超導狀態可以說是不低了。」

然而，236K（-37.15℃）與論文標題中的「室溫」仍然存在天壤之別，作者們在論文中僅僅提出了達到室溫的一種可能性：降低材料中金的比例。作者聲稱在他們的另一項研究中，一塊含有較少金成份的樣品在溫度降到 320K（46.85°C）時，其電阻驟降了三個數量級——這顯然是個比正常室溫還要高的溫度。該樣品的體積磁化率為 -0.037，也屬於完全抗磁的範疇。

巴斯卡蘭非常看好這項研究，他認為這一新發現與他已經研究了幾十年的想法密切相關。雖然金銀單獨來看並不是超導體，但巴斯卡蘭根據自己之前的研究寫了一份論文，用來解釋為什麼金銀混合材料能夠進入超導狀態。在原始報告發布兩周後，他也在 arXiv 上公布了這篇論文。「我的好朋友認為我的論文是倉促之作，」巴斯卡蘭說，「我完全同意。」顯然，更負責任的做法是等待另一家獨立研究團隊重複這項室溫超導的實驗，然後再開始為這一現象尋找理論上的解釋。但巴斯卡蘭對這一發現感到非常激動，完全按捺不住。

令人生疑的噪音

其他人則表現得更加懷疑。印度塔塔基礎研究院（Tata Institute of Fundamental Research）的物理學家普拉塔普·瑞查得符里（Pratap Raychaudhuri）說，這篇室溫超導論文在印度莫哈里（Mohali）舉行的物理學會議上成功地震驚了幾乎所有參會學者。不過和作者在同一機構工作的研究人員竟然對此事一無所知。會議的組織者安排了一個特別環節來討論這篇論文，並邀請了論文作者出席，但是遭到了拒絕。大部分參會者對此項發現抱「謹慎樂觀和懷疑態度，」他說。

斯金納也感受到了來自 MIT 的期待和懷疑。「我和同事們每天吃午飯的時候一直都在討論這件事，」他說，不過仍有一些人認為這項研究「言過其實」。

這篇論文勾起了斯金納的興趣：雖然並不是研究超導的專家，但他詳細閱讀了這篇論文。他發現測量數據看起來是很有說服力，但是他無法訪問這篇論文的確切數據，所以他用軟體將論文中的圖錶轉化為了一群數據點。他想也許可以通過研究作者圖表中呈現的噪音信號找到一些有趣的東西。這是個常見的做法：理論物理學家經常會通過尋找實驗雜訊中的意外模式為新研究汲取靈感。

有趣的事情發生了：斯金納發現數據存在一種可疑的模式。在一幅圖中，作者展示了他們的樣品排斥磁場的幾個測量值，這是超導體的一個標誌性特徵。斯金納注意到，兩次獨立測量中雜訊信號的下降和上升幅度一模一樣。這兩次測量實驗是無關的，那麼為什麼這兩條雜訊曲線如此相似呢？

這讓他想起了 2000 年初物理學界發生的一項著名醜聞。年輕的物理學家 Jan Hendrik Sch?n 在Nature、Science等著名期刊上源源不斷地發表論文，最「高產」的一年裡平均每八天就能有一篇論文見刊——最終他被發現存在數據造假行為。揭露他造假行為的，正是一群無法重複他的實驗結果的研究人員：他們注意到Sch?n的一項實驗中的雜訊信號與另一個毫不相關的實驗中的雜訊信號一模一樣。

曾在貝爾實驗室工作的 Jan Hendrik Sch?n，製造了物理學界近 20 年來最著名的學術造假醜聞。圖片來源：The Telegraph

斯金納並沒有判定 Thapa 和 Pandey 編造數據，他只是想讓他們解釋一下這種奇怪的、幾乎像是複製出來的雜訊信號。最初他對是否要公開自己的發現有些猶豫不決，但斯金納還是在與同事討論後在 arXiv 和推特上公開了這個發現。「我非常謹慎地寫了描述了我的發現，我的本意是對事不對人，」他說。

幾天後，身在印度的瑞查得符里也參與進了這場討論。他在 Facebook 上發布了一個關於這種奇怪噪音的潛在解釋：測試樣品中的金銀混合納米顆粒結合得過於鬆散，可能是造成這種現象的原因之一。

但是這場來自學界內部的討論還沒結束，瑞查得符里和斯金納都開始收到一些來自網路的「神秘」回應。與喬杜里在同一家研究所工作的一位學界「大佬」通過電子郵件要求他停止在社交媒體上批評這項研究的作者。但是瑞查得符里發現這封電子郵件是冒名頂替者發給他的，並非出自同事之手。與此同時，他和斯金納都收到了來自名為 Wiles Licher 的人的 Facebook 好友請求，這個名字與偽造的電子郵件有關。「這裡面的水看起來很深，」瑞查得符里說。

斯金納懷疑假冒的電子郵件可能只是一個誘餌。他說：「事情從學術問題變成社交問題，這讓我感到很不愉快。」自從他開始公開對這篇室溫超導論文的意見後，他的推特粉絲數增長了十多倍，並且現在還在增加。為了能正常使用自己的賬號，斯金納不得不關閉推特的消息通知。

「失聲」的作者

公眾討論仍然缺少一個重要的聲音，那就是作者本人（通訊作者 Pandey 代表 Thapa 和他本人拒絕就此事發表評論）。斯金納表示自己曾經私下與作者溝通，作者說他們堅持這篇論文的觀點。根據瑞查得符里的說法，作者已將論文提交給了Nature，但Nature禁止他們在論文發表之前向媒體公布任何信息。

Nature並沒有禁止他們與其他學者討論這項研究，可是兩位作者拒絕了與學界同行們的溝通。瑞查得符里呼籲他們回應批評，分享他們的樣品，這樣其他實驗物理學家就可以去重複他們的結果。「一旦研究人員將學術論文公開，那他們就有義務跟進並回答任何有關的問題，」他說，「任何人都不應該選擇沉默。」

瑞查得符里說，對於 Thapa 和 Pandey 來說，與其他研究人員進行交流十分重要，因為他們的發現具有重大的學術意義和潛在的社會價值。當 Sch?n 的學術造假行為被發現時，他破壞的不僅是自己的聲譽——他還破壞了那些在他的工作基礎上開展研究的同行們的職業生涯。而這種悲劇有可能會借著這篇論文再次上演。

瑞查得符里選擇公開發表自己的意見，是因為他覺得讓公眾看到科學共同體能夠監督科學進程、去偽存真，是件十分重要的事。「社會大眾需要了解科學家做出新發現後必須通過的審查程序，」他說。「學術圈中的任何成果都不是理所當然就能獲得承認的。」

參考資料：

https://www.wired.com/story/the-curious-case-of-a-revolutionary-but-imaginary-superconductor/

https://www.business-standard.com/article/current-affairs/did-iisc-team-just-make-the-greatest-indian-discovery-after-raman-effect-118080700156_1.html

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