颠覆性发现存在数据疑团？室温超导论文现身引热议

超导现象 图片来源：Wikimedia Commons

　　来源：科研圈

　　7 月 23 日，论文预印平台 arXiv 上出现了一项几乎可以震惊整个物理学界的发现：两名印度学者声称，他们将金和银的混合材料制备成纳米颗粒，构建出了世界上第一个室温超导体。在这份 13 页的论文中，作者对这一新材料进行了电阻和抗磁性测量，并表示这种材料经过改良后可以在高达 46.85℃ 的环境下进入超导状态。

　　如果这项未经任何同行评议的研究结果是真的，那它无疑会掀起一场翻天覆地的科技变革。室温超导一直被众多物理学家奉为这个领域的“圣杯”，因为大多数超导体只有被冷却到绝对零度（-273.15℃）左右才能进入电阻值可以忽略不计的超导状态。就算是目前被认为“最温暖”的超导体――超高压下的硫化氢――也只能在 -70℃ 的温度下达到超导状态。“室温超导体不仅会改变物理学，还会改变我们现实生活中的许多方面，”麻省理工学院（MIT）的物理学家布莱恩?斯金纳（Brian Skinner）如此评论，“这意味着你可以毫无损耗地传输电力。”这不仅仅能为其发现者赢得诺贝尔奖，它还将彻底改造我们的电力基础设施。


在目前已知的超导体中，硫化氢（右上角）进入超导状态的临界温度是最高的。 图片来源：Wikipedia

　　这篇可以称得上是“颠覆性成果”的常温超导论文一在 arXiv 上出现就吸引了诸多同行学者们的目光。然而在随后的 20 多天里，人们发现它带来的远远不止兴奋和激动，还有批评、质疑和闹剧。

　　重大突破还是标题党？

　　这篇题为《纳米结构在室温常压下达到超导状态的证据》（<em>Evidence for Superconductivity at Ambient Temperature and Pressure in Nanostructures</em>）的论文，其作者 Dev Kumar Thapa 和 Anshu Pandey 都来自印度科学院的固态结构化学研究室（Solid State and Structural Chemistry Unit， Indian Institute of Science），通讯作者 Pandey 是一作 Thapa 的博士导师。在论文中，他们将极小的银微粒嵌入到了金的网格中，并将这种混合物制备成了纳米颗粒，进而制成薄片附在电极上面，以便测量其电阻。



　　作者在论文中表示，在测试过程中，他们将温度降低到 236K （-37.15℃）时，这种材料的电阻降到了 100 毫欧以下。报告中说由于仪器精度的限制，他们推测实际的测量值可能还要更低。这意味着这种状态下该样品的电阻可能小于 0.1 纳欧，比普通金银的电阻整整低两个数量级。


　　该金银混合材料在临界温度时的电磁特性（电阻值与体积磁化率）。图片来源：https：//arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1807/1807.08572.pdf

　　完全抗磁性是材料进入超导状态的一个重要特征，在这方面，论文作者测量了材料的体积磁化率随温度的变化。发现它在 236K 时从 0 降到了-0.06。这个值距离理想超导体的 -1 还差得很远，但是研究人员给出了一个解释理由：他们制备的金银混合材料的纯度不够。这个数值意味着最多只有 6% 的样品体积达到了超导状态。

　　有专家认为“这个实验很有说服力”：印度数学科学研究所的理论物理学家甘纳西?巴斯卡兰（Ganapathy Baskaran）认为，“对于颗粒超导来说，材料中有 10% 的体积达到超导状态可以说是不低了。”

　　然而，236K（-37.15℃）与论文标题中的“室温”仍然存在天壤之别，作者们在论文中仅仅提出了达到室温的一种可能性：降低材料中金的比例。作者声称在他们的另一项研究中，一块含有较少金成份的样品在温度降到 320K（46.85°C）时，其电阻骤降了三个数量级――这显然是个比正常室温还要高的温度。该样品的体积磁化率为 -0.037，也属于完全抗磁的范畴。

　　巴斯卡兰非常看好这项研究，他认为这一新发现与他已经研究了几十年的想法密切相关。虽然金银单独来看并不是超导体，但巴斯卡兰根据自己之前的研究写了一份论文，用来解释为什么金银混合材料能够进入超导状态。在原始报告发布两周后，他也在 arXiv 上公布了这篇<u>论文。</u>“我的好朋友认为我的论文是仓促之作，”巴斯卡兰说，“我完全同意。”显然，更负责任的做法是等待另一家独立研究团队重复这项室温超导的实验，然后再开始为这一现象寻找理论上的解释。但巴斯卡兰对这一发现感到非常激动，完全按捺不住。

　　令人生疑的噪音

　　其他人则表现得更加怀疑。印度塔塔基础研究院（Tata Institute of Fundamental Research）的物理学家普拉塔普?瑞查得符里（Pratap Raychaudhuri）说，这篇室温超导论文在印度莫哈里（Mohali）举行的物理学会议上成功地震惊了几乎所有参会学者。不过和作者在同一机构工作的研究人员竟然对此事一无所知。会议的组织者安排了一个特别环节来讨论这篇论文，并邀请了论文作者出席，但是遭到了拒绝。大部分参会者对此项发现抱“谨慎乐观和怀疑态度，”他说。

　　斯金纳也感受到了来自 MIT 的期待和怀疑。“我和同事们每天吃午饭的时候一直都在讨论这件事，”他说，不过仍有一些人认为这项研究“言过其实”。

　　这篇论文勾起了斯金纳的兴趣：虽然并不是研究超导的专家，但他详细阅读了这篇论文。他发现测量数据看起来是很有说服力，但是他无法访问这篇论文的确切数据，所以他用软件将论文中的图表转化为了一群数据点。他想也许可以通过研究作者图表中呈现的噪音信号找到一些有趣的东西。这是个常见的做法：理论物理学家经常会通过寻找实验噪声中的意外模式为新研究汲取灵感。

　　有趣的事情发生了：斯金纳发现数据存在一种可疑的模式。在一幅图中，作者展示了他们的样品排斥磁场的几个测量值，这是超导体的一个标志性特征。斯金纳注意到，两次独立测量中噪声信号的下降和上升幅度一模一样。这两次测量实验是无关的，那么为什么这两条噪声曲线如此相似呢？


　　斯金纳发现，两次独立测量的数据（绿色和蓝色曲线）噪声信号模式十分类似。图片来源：https：//arxiv.org/pdf/1808.02929.pdf

　　这让他想起了 2000 年初物理学界发生的一项著名丑闻。年轻的物理学家 Jan Hendrik Sch?n 在<em>Nature</em>、<em>Science</em>等著名期刊上源源不断地发表论文，最“高产”的一年里平均每八天就能有一篇论文见刊――最终他被发现存在数据造假行为。揭露他造假行为的，正是一群无法重复他的实验结果的研究人员：他们注意到Sch?n的一项实验中的噪声信号与另一个毫不相关的实验中的噪声信号一模一样。


　　曾在贝尔实验室工作的 Jan Hendrik Sch?n，制造了物理学界近 20 年来最著名的学术造假丑闻。图片来源：The Telegraph

　　斯金纳并没有判定 Thapa 和 Pandey 编造数据，他只是想让他们解释一下这种奇怪的、几乎像是复制出来的噪声信号。最初他对是否要公开自己的发现有些犹豫不决，但斯金纳还是在与同事讨论后在 arXiv 和推特上公开了这个发现。“我非常谨慎地写了描述了我的发现，我的本意是对事不对人，”他说。

　　几天后，身在印度的瑞查得符里也参与进了这场讨论。他在 Facebook 上发布了一个关于这种奇怪噪音的潜在解释：测试样品中的金银混合纳米颗粒结合得过于松散，可能是造成这种现象的原因之一。

　　但是这场来自学界内部的讨论还没结束，瑞查得符里和斯金纳都开始收到一些来自网络的“神秘”回应。与乔杜里在同一家研究所工作的一位学界“大佬”通过电子邮件要求他停止在社交媒体上批评这项研究的作者。但是瑞查得符里发现这封电子邮件是冒名顶替者发给他的，并非出自同事之手。与此同时，他和斯金纳都收到了来自名为 Wiles Licher 的人的 Facebook 好友请求，这个名字与伪造的电子邮件有关。“这里面的水看起来很深，”瑞查得符里说。

　　斯金纳怀疑假冒的电子邮件可能只是一个诱饵。他说：“事情从学术问题变成社交问题，这让我感到很不愉快。”自从他开始公开对这篇室温超导论文的意见后，他的推特粉丝数增长了十多倍，并且现在还在增加。为了能正常使用自己的账号，斯金纳不得不关闭推特的消息通知。

　　“失声”的作者

　　公众讨论仍然缺少一个重要的声音，那就是作者本人（通讯作者 Pandey 代表 Thapa 和他本人拒绝就此事发表评论）。斯金纳表示自己曾经私下与作者沟通，作者说他们坚持这篇论文的观点。根据瑞查得符里的说法，作者已将论文提交给了<em>Nature</em>，但<em>Nature</em>禁止他们在论文发表之前向媒体公布任何信息。

　　<em>Nature</em>并没有禁止他们与其他学者讨论这项研究，可是两位作者拒绝了与学界同行们的沟通。瑞查得符里呼吁他们回应批评，分享他们的样品，这样其他实验物理学家就可以去重复他们的结果。“一旦研究人员将学术论文公开，那他们就有义务跟进并回答任何有关的问题，”他说，“任何人都不应该选择沉默。”

　　瑞查得符里说，对于 Thapa 和 Pandey 来说，与其他研究人员进行交流十分重要，因为他们的发现具有重大的学术意义和潜在的社会价值。当 Sch?n 的学术造假行为被发现时，他破坏的不仅是自己的声誉――他还破坏了那些在他的工作基础上开展研究的同行们的职业生涯。而这种悲剧有可能会借着这篇论文再次上演。

　　瑞查得符里选择公开发表自己的意见，是因为他觉得让公众看到科学共同体能够监督科学进程、去伪存真，是件十分重要的事。“社会大众需要了解科学家做出新发现后必须通过的审查程序，”他说。“学术圈中的任何成果都不是理所当然就能获得承认的。”