重要發現：為什麼在超流體世界裡沒有速度限制？

2020-10-03 宇宙及宇宙外讀者

我們通常所遇到的物質有三種：氣體、液體、固體。另外，有一種物質名叫「超流體」（Superfluid）。

為什麼叫它超流體，是因為它超乎尋常地流動、完全缺乏黏性。如果將超流體放置於環狀的容器中，由於沒有摩擦力，它可以永無止境地流動。

超流體能以零阻力通過微管，甚至能從碗中向上「滴」出而逃逸。處於超流相的液氦，會在碗身內面向上緩慢攀爬，攀越過杯口，然後在杯身外面向下緩慢滑落，集結在一起，形成一滴液氦珠，最後滴落下。這樣，液氦會一滴一滴地滴落，直到杯子完全流空為止，如下面視頻所示。

超流體是被彼得·卡皮查、約翰·艾倫和冬·麥色納在1937年發現。有關超流體的研究被稱為量子流體力學。當量子液體溫度低於某臨界轉變溫度會變為超流體。比如氦的同位素，氦-3，一種稀有的氦原子，其中缺少一個中子，在極低的溫度下變為超流體，從而實現非凡的性能，例如不存在摩擦。由於不存在摩擦力，科學家推斷，在超流體世界裡沒有速度限制。

現在，蘭開斯特大學（Lancaster University）的物理學家，在過去研究的基礎上，終於確定了為何穿過超流體的物體沒有速度限制的原因。

過去認為，從物體中流過超流體的速度，從根本上限制在一個稱為「朗道臨界速度」上，超過這個速度限制將破壞超流體。此前在該研究團隊所進行的實驗發現，這不是嚴格的規則，物體可以更快的速度移動而不會破壞脆弱的超流體狀態。

朗道臨界速度

前蘇聯著名物理學家、凝聚態物理學的奠基人、列夫·朗道（Lev Landau）對氦-4超流態的現象學和半微觀理論的研究，為他贏得了1962年的諾貝爾物理學獎。他提出了「臨界速度」，在該速度以上會破壞超流動性。

現在，蘭開斯特大學的科學家發現了這種沒有速度限制的原因：奇異的粒子粘在超流體的所有表面上，如下圖所示。

奇異的粒子粘在超流體的所有表面上

研究人員將超流氦-3冷卻到幾乎絕對零度（0.0001K或-273.15°C）十分之一度的範圍內。然後，他們以高速度將金屬絲穿過超流體，並測量了移動金屬絲需要多少力。除了當導線開始移動時與移動綁定的粒子相關的極小的力外，測得的力為零。

論文主要作者、Samuli Autti博士說：「超流體氦-3就像穿過一根真空棒一樣，儘管它是一種相對稠密的液體，卻沒有阻力，一點兒也沒有。這太有趣了。」

論文作者、博士生Ash Jennings補充說：「通過改變金屬絲的運動方向，我們可以得出結論，即使金屬絲的速度非常高，金屬絲也會被覆蓋在其上的結合粒子隱藏在超流體中。」

負責該項目的Dmitry Zmeev博士說，結合粒子需要四處運動才能做到這一點，這會對金屬絲施加很小的力，但是一旦完成，力就會完全消失」。

該最新研究結果論文，題為：「在零溫度範圍內由於結合的費米子所引起的基本耗散」，已發表在《自然-通訊》上。

這一發現將會指導量子技術、以及量子計算中的應用，多個研究小組已經在致力於利用這種不尋常的物質粒子。

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  • 為什麼在超流體世界中沒有速度限制？
    在冰冷稠密的氦-3超流體介質中，科學家近日有了意外發現。穿過該介質的異物可以超越臨界速度限制，而不會破壞脆弱的超流體本身。　　由於這與我們對超流體的理解互相矛盾，這帶來了一個難題。但是現在，通過重新創建和研究這一現象，物理學家已經弄清楚其中緣由。
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    新浪科技訊 北京時間9月28日消息，據國外媒體報導，在冰冷稠密的氦-3超流體介質中，科學家近日有了意外發現。穿過該介質的異物可以超越臨界速度限制，而不會破壞脆弱的超流體本身。由於這與我們對超流體的理解互相矛盾，這帶來了一個難題。但是現在，通過重新創建和研究這一現象，物理學家已經弄清楚其中緣由。
  • 為什麼氦-3超流體中沒有速度限制？
    為什麼氦-3超流體中沒有速度限制？英國蘭卡斯特大學的物理學家已經確定了為什麼在超流體氦-3中運動的物體沒有速度限制的原因。氦-3是氦的一種稀有同位素，其中缺少一個中子。它在極低的溫度下成為超流體，使運動物體缺乏摩擦力等不尋常的特性成為可能。
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    北京時間 9 月 28 日消息，據國外媒體報導，在冰冷稠密的氦 - 3 超流體介質中，科學家近日有了意外發現。穿過該介質的異物可以超越臨界速度限制，而不會破壞脆弱的超流體本身。由於這與我們對超流體的理解互相矛盾，這帶來了一個難題。
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    為何稱其為超流體，因為其流動異常，完全沒有粘性。超流體若被置於環形容器中，則不受摩擦而能無休止地流動。 超流態的流體可以以零的阻力穿過微管，甚至可以從容器中「滴」上而逃。 PeterCapitcha, JohnAllen和 HanMcCurner於1937年發現了超流體。對超流體的研究叫做量子流體力學。在一定溫度下量子液體轉變為超流體的過程稱為量子流體。
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