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电子配对机制是间接的。电子之间的相互作用是由带正电荷的离子的晶格影响的。（早先，我们把这些离子称为原子。但由于它们会自由分享各自的一些传导电子，因此它们带正电荷，被称为离子。正电荷是电子配对机制的关键。）因为二者电荷极性相反，所以当一个电子通过晶格时，它会轻轻拉拽晶格。这种变形会产生一个带有略微过量正电荷的空间区域，从而吸引第二个电子。正是由于这种间接作用，两个电子联系在了一起。
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通过某些现象可以直观地感受这种机制，虽然都不太恰当，却具有启发意义。我们可以设想一个在水床上滚动的保龄球，它会使水面产生一个凹陷，从而吸引另一个保龄球尾随它的轨迹。这里的保龄球就像电子，可变形的水床就像晶格。或者也可以将这种图景想象为自行车比赛，领骑的选手率先冲破空气，跟随在他身后的第二名选手就会受到更小的空气阻力。但这种设想的问题在于，超导体中的成对电子之间的距离实际上是相当远的，第二个电子并非紧跟在第一个身后。从这方面看，成对的电子更像是一对相隔很远距离跳舞的青年情侣，在房间两端步调一致地移动。尽管二人之间可能有很多其他青年舞者，但他们二人的情侣关系是毫无疑问的。毕竟，房间里只有他们在步调一致地一起跳舞，在物理学家看来，就是成对电子的运动是“强相关”的。
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配对的重要性在于，它改变了电子结交的意愿。单个的电子是费米子，是固执的隐士。但一旦有两个电子配对成功，实际上就变成了玻色子。（这与量子理论相符，表明费米子和玻色子之间的区别类似于奇数和偶数之间的区别；两个费米子配对成为一个玻色子，而两个奇数相加则成为一个偶数。）一旦电子耦合形成了这些所谓的“库珀对”，它们便极度渴望与其他玻色子结交，以至于它们都挤进了相同的量子态——最低能量状态。接着，它们会全都失去自己的身份，凝聚成玻色-爱因斯坦凝聚体。在青年舞会的比喻中，这就意味着整个人群都在同步跳着集体舞。
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巴丁-库珀-施里弗理论（The Bardeen-Cooper-Schrieffer theory）巧妙地解决了一些关于超导性的谜题。最重要的是，它解释了为什么电阻会在低于临界温度时下降到零。这种解释与库珀对的集群行为有关。在电场作用下，成对的电子会以严格同步的步伐通过超导体。任何与杂质或振荡离子的撞击，即任何可能引起阻力的事件，都会使得电子对进入另一个量子态。但要记住，加入某一特定状态的概率与n+1成正比，其中n是处于该状态的玻色子数。加入群体的吸引力是其他选择的几十亿倍，所以没有哪一对会自动散伙。创造电阻的唯一方法是同时驱散亿万对成对的电子，如此极端的事件几乎是不可能发生的。因此，超导体的电阻是零，或至少小于科学家可以测量到的任何电阻。
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该理论还表明，超导性不仅仅是普通导电性的延伸。以前，我们总是会发现一种貌似自相矛盾的现象：在正常导体中导电性最好的银和铜，几乎没有超导性，甚至在高于绝对零度0.001度时都不显示超导性。然而根据新理论，我们便可以解释这种现象。良导体导电性好正是因为它们的载流电子无视晶格的存在。但由于它们通过激励电子和晶格各行其道，所以这些材料没有机会形成库珀对。配对机制严重依赖于电子使晶格变形的能力（类似于在水床上滚动的保龄球），从而使得第二个可以跟随在它的轨道上。如果水床很硬，第一个保龄球不能使水面产生凹陷的水槽，第二个球就没有机会跟随它。所以良导体都是糟糕的超导体，因为它们无法形成必要的库珀对。
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最后，该理论解释了为什么电阻在特定温度会突然下降。这与水处于零度会突然结冰的原理有些类似。两个过程都是相变，都是自组织对于随机运动的胜利。在冰点时，水分子得以平静下来，使得它们之间的吸引力将它们结合成晶体。类似地，在超导现象发生的临界温度，原子晶格平静下来，使得电子形成库珀对，凝聚成玻色-爱因斯坦凝聚体。在这两种情况下，温度下降毫厘便可导致天壤之别。
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该理论的一个定性含义是，没有物体可以在较高的温度下（也许是20K至50K之间）显示出超导性，因为晶格振动太剧烈。这似乎又是一个成功的预测。多年来，通过尝试各种各样的金属组合，实验者逐步以每次零点几度的温度提升着世界纪录，最终定格在23K。难以逾越的上限正如预想的那样，至少在20世纪80年代中期之前是这样。
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1986年，科学家发现了高温超导电性，在学界引起了震动。首先有科学家宣布陶瓷材料在创纪录的30K以上的温度时变成超导体。仅仅两年后，世界纪录达到了令人难以置信的125K。截至本书截稿时，有科学家提出，高温超导电性的物理基础可能是由磁性的相互作用影响的，而不是先前认为的晶格振动。需要注意的是，虽然巴丁-库珀-施里弗理论在低温下表现得很完美，但它并不是故事的全部。
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这些进展重新推动了超导性可能的实际应用。即使在其最初的低温形式下，超导性也具有巨大的经济效益和节能效用。由于采用超导材料制成的电线没有电阻，不会产生热量，所以它们可以承载非常大的电流，而同样的电流流经普通电线则会引发火灾。基于同样的原因，它们也更节能。（美国能源部估计，美国生产的全部电能的7%以上都浪费在了电阻和输电过程中的其他损耗上，而使用超导技术的电网会将这个数字减小一半。）除了效率上的好处，巨大的电流还可以用来驱动强大的电磁铁，形成强大的磁力，将火车抬离轨道，从而消除车轮与钢轨之间的摩擦，这也是日本磁悬浮列车的理论基础。1997年，日本运输部长授权建造山梨磁悬浮火车试验线。两年后，MLX01测试车速度达到了552公里／小时。在军事领域，超导磁体也极具应用价值，包括船舶推进系统，超灵敏的潜艇和水雷探测器，用于摧毁敌人电网和电子基础设施的电磁脉冲发生器等。
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尽管极具潜力，但超导技术在市场上的实现却十分缓慢。其中面临的一个障碍是达到超导状态所需要的低温，这种低温环境只有实验室中复杂的制冷系统中才能实现。这也是高温超导电性的发现引起巨大轰动的一个原因：只要通过液氮冷却就可以达到临界温度，液态氮既廉价又丰富。因此，目前更严重的障碍变成了用新材料制造高强度的柔性导线。像其他陶瓷一样，它们易碎，易破裂。我们同样很难制造出实用长度的导线；由于材料的缺陷，当它们太长时往往会失去超导性。此外，最佳的超导导线的形式是将新材料包裹在银中，尽管成本会随着需求的增加而减少，但也使得它比铜导线的成本高20倍。最后，虽然磁悬浮列车的技术已得到了证实，但它们在欧洲和美国的广泛应用却遭到了政治和环境问题的阻挠。
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在20世纪60年代初，还没有人梦想过这些事情。新的巴丁-库珀-施里弗理论带来的成果刚刚在世界各地的实验室和大学中展现。对这些结果进行深入研究的是剑桥大学的一位年轻的研究生。他是个身材矮小，说话细声细语的威尔士人，戴着黑框眼镜。他即将发现量子同步的一些惊人的启示，最终使超导性在意想不到的领域发挥了作用：从医学成像到世界上运行速度最快的超级计算机。与此同时，他的职业生涯也发生了意想不到的转变。
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1962年，22岁的布赖恩·约瑟夫森在剑桥大学读书，是一位研究生。他的专业是实验物理学，但他发现自己被理论物理迷住了，尤其是在菲利普·安德森（Philip Anderson）的课程上学到的东西。安德森是超导和固体物理学专家，在贝尔实验室工作，度假期间正在访问剑桥。没多久他便注意到了约瑟夫森。在授课中遇上约瑟夫森“是非常让人紧张的体验，我可以向你保证”。安德森说：“因为一切都必须正确，否则他就会在课后出现在我面前，解释给我听。”
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一天，约瑟夫森向他的老师展示了自己做的一些计算。约瑟夫森曾想过如果他把两个超导体用非常薄（只有1～2纳米厚）的氧化层连接起来，会发生什么现象。他脑海中的画面看起来像一个三明治：面包片是超导体，切得非常薄的肉片是氧化层。
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约瑟夫森无法完全相信自己的方程组。方程组表明，电流流过氧化层时没有遇到电阻。根据经典物理学理论，这无疑是不可能的。因为氧化物是绝缘体，它可以完全阻挡电子的流动，就像让电子穿过一堵砖墙。然而，约瑟夫森的计算说明，他可以把绝缘体变成超导体，把它从一个极端转变到另一个极端。在这种情况下，电子会感觉它们行进的道路畅通无阻，并没有砖墙的阻碍。这里的电阻为零，而不是无穷大。
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约瑟夫森的预测基于一种量子效应，它被称为量子隧穿。形象地来说，就如困在井里的粒子无须爬出来便可逃脱。仿佛变魔术一般，它们可以穿过墙壁，甚至不留一个孔洞。
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与很多量子理论类似，隧穿违背了我们关于世界运行规律的常识。但当我们回想起量子同样具有波动性的时候，矛盾看上去稍微缓和了一些。就像喧嚣聚会中的声波可以穿过看似坚不可摧的约瑟夫森的氧化层，隧穿不仅是一种假设的可能，它是真实发生的，有实验已经证实了它。事实上，就在若干年前，在伊瓦尔·贾埃弗（Ivar Giaever）还是纽约州特洛伊的伦斯勒理工大学的一名研究生，他证明了单个电子可以通过绝缘屏障从一个超导体穿越到另一个，但是这需要电压在幕后帮忙。现在，约瑟夫森的计算显示了一些更奇怪的东西：没有电压的推动，隧穿仍然可以发生。
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为了直观地感受这种矛盾现象，我们可以把电流类比为水流。就像水往低处流一样，电流会从高电压流向低电压。现在我们再来想象两个桶，每个桶底部都有一个小洞，通过一个细软管连接，水可以在它们之间流动（类似于由薄氧化层连接的两个超导体）。如果你在每个桶中注入等量的水，一个挂在楼梯间的顶部，另一个放在底部，那么水就会从高处的桶流向低处的桶。但如果两个桶挂在同一高度，并保持稳定，那么水不会自发在两个桶之间流动。水不会平级流动。这正是约瑟夫森的方程所预示的：两个相同电压的超导体之间没有电流。
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如何使水的横向流动成为可能？约瑟夫森正在考虑一种完全陌生的物质，一种完全不像水的物质——量子流体，这是库珀对的完全同步的合奏。我们所习惯的液体都由彼此之间不合作的分子组成。在微观层面，即使是小溪中平静的溪水，也不过是一堆分子在激烈地乱撞、滑落、翻滚、抖动。但是超导体中库珀对的液体在以一种我们几乎无法想象的方式遵守着纪律。所有的成对电子相位一致；它们的量子波的波峰和波谷完美地叠加。正如约瑟夫森的假设，如果氧化层足够薄，那么这些量子波就可以穿透障碍物，影响另一侧的超导体。这种耦合可以使得库珀对穿过绝缘体的隧道。换句话讲，方程组预言了“隧穿电流”的存在。
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即便是量子理论，这个结论看上去也古怪至极，所以约瑟夫森请求他的导师看一看他的工作成果。安德森自然乐意效劳。“到现在我才了解约瑟夫森有多么优秀，我会不加怀疑地接受他说的一切。然而，他自己似乎半信半疑，所以我花了一个晚上来思考描述这种电流的术语。”这个术语就是“隧穿电流”。库珀对在穿过绝缘体时会保持完好，这真的可能吗？貌似更合理的假设是，它们分裂成了单个的电子，产生正常的电流，就像贾埃弗在他的早期实验中看到的一样，电流在流动过程中会遭遇电阻。
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也有科学家对于这个问题提出了更进一步的质疑，约瑟夫森的论文导师布赖恩·皮帕德（Brian Pippard）曾经主张，库珀对的隧穿不大可能是真实的，也很难检测到。粗略地讲，这就像是同一地方遭遇了两次雷击。单电子穿过绝缘体的概率很小，所以两个电子同时隧穿的概率便是刚才那个数的平方——一个近乎无穷小的数。但约瑟夫森的数学计算表明，两个电子隧穿的概率与一个电子不相上下。“我花了数日之久来说服自己，我的计算没有错误。”约瑟夫森在转年写道。进一步的信心来自皮帕德和安德森，他们审查了约瑟夫森的工作，对他的观点表示了赞同。约瑟夫森的数学证明是正确的。然而，他们三人心中都没有十成把握。
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约瑟夫森理论中的其他含义同样令人不安。他的方程预示，超导电流的强度应该取决于障碍物两边量子波的相对相位。如果有某种方式能够使得两个超导体的相位略微不一致的话，超导电流就会出现。相位差越大，超导电流就越大，但都存在于一定的限度内。一旦两列量子波之间的相位差达到了1/4周期，即90度，超导电流就会达到最大值。（方程组预测，一般情况下，超导电流与相位差的正弦函数成正比。）为了驱动量子波脱离同步，约瑟夫森假设，通过将外部电流源接入三明治结构，将电子注入系统。
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根据方程组的计算，只要施加的电流不太大，它就可以表现出假想的超导电流的形式。但很显然，只有有限大小的超导电流才可以以这种方式传导。如果尝试传递更多的电子，那么多余的电子便不会配对。它们会自发分开，产生电阻，造成两个超导体之间的电压差。然后，障碍物的任何一边的量子波都将相互解锁，它们的相位会以某一速率渐行渐远。这个速率与新产生的电压差成正比。由于超导电流取决于相位差的正弦值，以及相位差随时间的增加量，所以该理论说明，三明治结构中的恒定电压差会产生非恒定的交变电流。
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这种预测同样违反常识。对于普通电阻而言，固定的电压会产生恒定的电流，就像挂在楼梯间高处水桶中的水会稳定地流入低处的水桶。然而，根据约瑟夫森的方程组，隧穿电流不会流向任何地方；它会在合适的位置以正比于电压的频率振荡。为了更具体地理解这种现象有多古怪，我们可以试想这对连在一起的水桶来说意味着什么。如果用约瑟夫森的量子流体替换掉水，我们会看到量子流体诡异地在两桶之间的软管中来回晃动，净流量为零。即使我们把楼梯上方的水桶挪到更高处，以增大压力，向下流的水的净流量仍然为零，只是晃动得更快些而已。这种效应现在称为“交流约瑟夫森效应”。
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