奇特却真实:超流体氦可以爬墙

可以用肉眼看到的量子河流、瀑布和喷泉


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您不必担心软饮料会自发地从杯沿溢出,或者从您试图饮用的吸管中喷出来。那是因为软饮料与这段视频中展示的超流体氦截然不同。

研究人员几十年前就已知道,如果您将液氦冷却到略低于其沸点 -452 华氏度(-269 摄氏度)几度,它突然就能做到其他流体做不到的事情,例如渗过分子薄的裂缝,爬上并越过盘子的边缘,并在其容器旋转时保持静止。

氦不再仅仅是液体,而是变成了超流体——一种无摩擦流动的液体。“如果你放下一个杯子,里面装着正在循环的液体,你 10 分钟后再回来,它当然已经停止移动了,”埃德蒙顿阿尔伯塔大学的实验物理学家约翰·比米什说。液体中的原子会相互碰撞并减速。“但是,如果你在低温下对氦气这样做,并且一百万年后回来,”他说,“它仍然会移动。”

与许多其他让你感到“Huh?”的物理实验一样,超流动性源于量子力学的反直觉规则。但与其他量子物质不同,超流体氦的奇特行为是肉眼可见的。

早在 1911 年,荷兰物理学家、1913 年诺贝尔物理学奖获得者海克·卡末林·昂内斯就观察到了氦的异常行为的早期迹象,他是一位制冷大师,也是第一个液化氦的人。昂内斯发现,氦(技术上是氦 4 同位素)在 -455.67 华氏度(-270.92 摄氏度)以下开始容易导热,这也称为 λ 点。

直到 1938 年,俄罗斯物理学家彼得·卡皮查,以及英国二人组约翰·艾伦和唐·米塞纳独立地测量了氦在低于该温度下通过连接到柱塞的一对玻璃盘和分别连接到细长玻璃管的流速。粘度非常低,以至于卡皮查(他因这项工作获得了自己的诺贝尔奖)创造了“超流体”一词来描述它——仿照“超导体”,这是指一种在没有电阻的情况下导电极高电流的材料。

该效应的关键是氦的独特能力,即保持液态直至绝对零度(-459.67 华氏度或 -273.15 摄氏度),这是原子理论上停止运动的温度。当大多数液体冷却时,流体中原子之间的轻微吸引力最终开始克服热振动,并且粒子以规则的顺序沉淀下来,即固体。但是氦原子非常轻且彼此之间的吸引力很弱,即使普通原子运动已经平静下来,原子也会因零点运动而抖动,零点运动是量子不确定性原理赋予的轻微动量。因此,它们永远不会沉淀成固态。

氦在低温下的液态允许它进行一种称为玻色-爱因斯坦凝聚的转变,在这种转变中,单个粒子重叠,直到它们的行为像一个大的粒子。一致行动的原子不像单个原子那样表现。“如果你齐步走,你就不会互相碰撞,”宾夕法尼亚州立大学帕克分校研究超流动性的摩西·陈说。

研究人员喜欢将超流体氦视为两种流体的混合物,一种是普通流体,一种是超流体。不同的实验突出了两种成分的对比特征。最简单的“实验”是观察装满液氦的容器在冷却到 λ 点以下时突然泄漏,并且无摩擦的超流体成分开始通过普通液体成分无法进入的微小裂缝中渗出。(自早期以来,“超泄漏”一直是研究液氦的科学家的祸根,比米什说。)但是像咖啡一样搅拌相同的氦气,普通液体成分将抵抗运动,从而最终使超流体混合物产生粘性。

随着温度下降,超流体成分在混合物中占据更大的份额。在该领域的黄金标准实验中,研究人员通过将样品放置在用金属丝悬挂的圆柱形金属容器中来测量两种成分的比率。当他们给金属丝施加扭转时,圆柱体将朝一个方向旋转,然后再朝另一个方向旋转。但是只有普通成分会与圆柱体一起旋转,因为普通成分与圆柱体壁之间存在摩擦;超流体部分直接穿过普通流体并保持静止。随着超流体成分的增加,圆柱体旋转得更快,就好像圆柱体正在减轻重量(技术上是惯性)。

当超流体氦爬上容器壁时,其双重性质再次发挥作用。(观看这个关于该效应的YouTube 视频。)任何液体都会在其所处的盘子的侧面形成涂层——再次感谢原子之间的轻微吸引力——但液体的内摩擦限制了涂层可能扩散的范围。在超流体氦中,无摩擦的薄膜滑过整个容器,形成一种竞技场,超流体可以通过它流动。如果液体在爬出盘子后有地方掉落,它将从容器底部滴落,直到虹吸掉所有积聚在其上方的超流体。

相同的原理是另一个著名演示的基础,在该演示中,超流体从底部装满细粉末的敞开的加热玻璃管中快速喷出。被称为超流体喷泉,它的发生是因为管外的超流体冲入以冷却管内部被加热的超流体。(据说,超流动性的共同发现者艾伦在用袖珍手电筒照射液氦玻璃管后发现了这种效应。)

对超流体氦的研究已经获得了三项诺贝尔奖,并且可能还会获得更多。2004 年,宾夕法尼亚州立大学的陈和金恩成旋转了一个装满固体氦的环,压力为 26 个大气压,发现当他们将氦冷却到临界温度以下时,旋转频率增加,就像液氦一样。包括比米什的实验室在内的六个实验室正在研究“超固体”效应,但研究人员仍然不确定固体的哪些元素会凝聚成单一的玻色-爱因斯坦态。

现在的诀窍是看看超固体是否可以产生相当于超泄漏或其他众所周知的超效应。“如果其他独特的属性能够令人信服地展示出来,”比米什说,“每个人都会同意这是一种新的物质状态。”

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