奇特卻真實:超流體氦可以爬牆

可以用肉眼看到的量子河流、瀑布和噴泉


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您不必擔心軟飲料會自發地從杯沿溢位,或者從您試圖飲用的吸管中噴出來。那是因為軟飲料與這段影片中展示的超流體氦截然不同。

研究人員幾十年前就已知道,如果您將液氦冷卻到略低於其沸點 -452 華氏度(-269 攝氏度)幾度,它突然就能做到其他流體做不到的事情,例如滲過分子薄的裂縫,爬上並越過盤子的邊緣,並在其容器旋轉時保持靜止。

氦不再僅僅是液體,而是變成了超流體——一種無摩擦流動的液體。“如果你放下一個杯子,裡面裝著正在迴圈的液體,你 10 分鐘後再回來,它當然已經停止移動了,”埃德蒙頓阿爾伯塔大學的實驗物理學家約翰·比米什說。液體中的原子會相互碰撞並減速。“但是,如果你在低溫下對氦氣這樣做,並且一百萬年後回來,”他說,“它仍然會移動。”

與許多其他讓你感到“Huh?”的物理實驗一樣,超流動性源於量子力學的反直覺規則。但與其他量子物質不同,超流體氦的奇特行為是肉眼可見的。

早在 1911 年,荷蘭物理學家、1913 年諾貝爾物理學獎獲得者海克·卡末林·昂內斯就觀察到了氦的異常行為的早期跡象,他是一位製冷大師,也是第一個液化氦的人。昂內斯發現,氦(技術上是氦 4 同位素)在 -455.67 華氏度(-270.92 攝氏度)以下開始容易導熱,這也稱為 λ 點。

直到 1938 年,俄羅斯物理學家彼得·卡皮查,以及英國二人組約翰·艾倫和唐·米塞納獨立地測量了氦在低於該溫度下透過連線到柱塞的一對玻璃盤和分別連線到細長玻璃管的流速。粘度非常低,以至於卡皮查(他因這項工作獲得了自己的諾貝爾獎)創造了“超流體”一詞來描述它——仿照“超導體”,這是指一種在沒有電阻的情況下導電極高電流的材料。

該效應的關鍵是氦的獨特能力,即保持液態直至絕對零度(-459.67 華氏度或 -273.15 攝氏度),這是原子理論上停止運動的溫度。當大多數液體冷卻時,流體中原子之間的輕微吸引力最終開始克服熱振動,並且粒子以規則的順序沉澱下來,即固體。但是氦原子非常輕且彼此之間的吸引力很弱,即使普通原子運動已經平靜下來,原子也會因零點運動而抖動,零點運動是量子不確定性原理賦予的輕微動量。因此,它們永遠不會沉澱成固態。

氦在低溫下的液態允許它進行一種稱為玻色-愛因斯坦凝聚的轉變,在這種轉變中,單個粒子重疊,直到它們的行為像一個大的粒子。一致行動的原子不像單個原子那樣表現。“如果你齊步走,你就不會互相碰撞,”賓夕法尼亞州立大學帕克分校研究超流動性的摩西·陳說。

研究人員喜歡將超流體氦視為兩種流體的混合物,一種是普通流體,一種是超流體。不同的實驗突出了兩種成分的對比特徵。最簡單的“實驗”是觀察裝滿液氦的容器在冷卻到 λ 點以下時突然洩漏,並且無摩擦的超流體成分開始透過普通液體成分無法進入的微小裂縫中滲出。(自早期以來,“超洩漏”一直是研究液氦的科學家的禍根,比米什說。)但是像咖啡一樣攪拌相同的氦氣,普通液體成分將抵抗運動,從而最終使超流體混合物產生粘性。

隨著溫度下降,超流體成分在混合物中佔據更大的份額。在該領域的黃金標準實驗中,研究人員透過將樣品放置在用金屬絲懸掛的圓柱形金屬容器中來測量兩種成分的比率。當他們給金屬絲施加扭轉時,圓柱體將朝一個方向旋轉,然後再朝另一個方向旋轉。但是隻有普通成分會與圓柱體一起旋轉,因為普通成分與圓柱體壁之間存在摩擦;超流體部分直接穿過普通流體並保持靜止。隨著超流體成分的增加,圓柱體旋轉得更快,就好像圓柱體正在減輕重量(技術上是慣性)。

當超流體氦爬上容器壁時,其雙重性質再次發揮作用。(觀看這個關於該效應的YouTube 影片。)任何液體都會在其所處的盤子的側面形成塗層——再次感謝原子之間的輕微吸引力——但液體的內摩擦限制了塗層可能擴散的範圍。在超流體氦中,無摩擦的薄膜滑過整個容器,形成一種競技場,超流體可以透過它流動。如果液體在爬出盤子後有地方掉落,它將從容器底部滴落,直到虹吸掉所有積聚在其上方的超流體。

相同的原理是另一個著名演示的基礎,在該演示中,超流體從底部裝滿細粉末的敞開的加熱玻璃管中快速噴出。被稱為超流體噴泉,它的發生是因為管外的超流體衝入以冷卻管內部被加熱的超流體。(據說,超流動性的共同發現者艾倫在用袖珍手電筒照射液氦玻璃管後發現了這種效應。)

對超流體氦的研究已經獲得了三項諾貝爾獎,並且可能還會獲得更多。2004 年,賓夕法尼亞州立大學的陳和金恩成旋轉了一個裝滿固體氦的環,壓力為 26 個大氣壓,發現當他們將氦冷卻到臨界溫度以下時,旋轉頻率增加,就像液氦一樣。包括比米什的實驗室在內的六個實驗室正在研究“超固體”效應,但研究人員仍然不確定固體的哪些元素會凝聚成單一的玻色-愛因斯坦態。

現在的訣竅是看看超固體是否可以產生相當於超洩漏或其他眾所周知的超效應。“如果其他獨特的屬效能夠令人信服地展示出來,”比米什說,“每個人都會同意這是一種新的物質狀態。”

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