一種不遵循物理規則的奇怪流體,它偏偏要從低處往高處流!

2021-01-09 宇宙的狂想曲

常言道:「人往高處走,水往低處流。」誠然,在重力的作用下,自然界的水當然是從高處流向低處的。可是,科學家們發現有的液體,偏偏不遵守這個原理,它會沿著容器壁,從低處往高處流。這就是神奇的超流特性。

所謂超流特性,就是有的液體在超低溫狀態下表現出的一些奇特的現象。這是科學家在研究低溫物理時候所發現的。20世紀30年代末,蘇聯科學家彼得·卡皮察首先觀測到超低溫液態氦的超流體特性,由於這一發現,以及隨後的成果,後來他獲得了1978年諾貝爾物理學獎。這種超流體的特異現象一經發現,立刻引起了許多物理學家的注意,很快,科學家列夫·朗道用凝聚態理論成功地解釋了這種現象。在20世紀70年代末,人們又觀測到更多的超流體現象。

嚴格地說起來,超流特性關鍵的表徵是無阻力。我們把超流體和普通流體相比較,就容易看出這一點。我們在日常生活中,都有這樣的經驗,普通液體想要流過很細的導管,是很困難的,特別是比較稠密的液體,很難讓這種稠密的液體通過細管子流出來。因為管子對流體有很強的阻滯作用。如果想要讓流體快速流過,那麼需要加以很大的壓力,才能將液體從管子的另一端壓出來。但是,在低溫超流體中,完全不需要這樣,由於超流體的特殊性質,使得它在流過細管子的時候不會受到任何阻力。也就是說,不用任何壓力,液體就能流暢地從管子的一端流進,並且從另一端流出。所以,在觀測這種超流體的時候,會覺得所觀察的現象和日常經驗相左。

超流體還具有很多其他的特異之處。例如,當容器中的超流體被攪拌後,它將永久地保持漩渦形狀,這是在普通液體中無法看到的現象。普通液體在毛細管中,也會發生水往高處流的現象,可是在超流體當中,即使是大口徑的容器,超流體也可以沿著容器的一邊向上蔓延,並高出容器的頂端。這一點,普通液體就做不到了。

超流體一直是物理學的前沿課題。由於超流體現象都是在超低溫環境下觀測到的,所以,從事這項研究需要尖端的研究設備。最起碼需要很高級的冷卻設備,要能把大氣中稀有的惰性氣體氦進行液化,這種氣體是非常難以液化的,其液化的低溫接近絕對零度。

氦有兩種同位素,一種是由2個質子和2個中子組成的氦-4,另一種是由2個質子和1個中子組成的氦-3。前者是最早發現的超流體,而後者的超流現象直到20世紀70年代才發現。1996 年的諾貝爾物理獎授予了三位科學家,他們是大衛·李、道格拉斯·奧歇洛夫和羅伯特·理查森,他們的獲獎貢獻正是發現了氦-3的超流性。氦-3的超流性之所以更難被發現,是因為液化氦-3所需要的低溫要比氦-4更低,更接近絕對零度。在接近絕對零度的時候,溫度每下降哪怕是0.001K都是非常困難的。

為什麼人們要研究超流體,研究它有什麼價值呢?因為超流現象會進一步加深對量子物理的研究進程。德國慕尼黑大學和馬普學會量子光學研究所都是世界級的物理學研究機構,這裡的科學家研究的課題就涉及到超流體,並且用到了雷射技術。他們用雷射束構築三維能量點陣,通過改變雷射能量,成功地實現了玻色-愛因斯坦凝聚態下銣原子氣體的超流體態與絕緣態間的可逆轉換。科學家認為,該成果在相關研究中具有裡程碑性質。

更新的研究似乎表明,不僅液體具有超流特性,固體也可能具有超流性。研究對象依然是氦,不過這次是結晶氦。據報導說,結晶氦似乎能像流體一樣流動而沒有任何黏性。最先是理論學家推測,在有序晶體中可能存在這樣的「超流性」。在美國,有研究者宣稱,他們見到了物質的一種十分奇異的狀態,該狀態下的物質為一種晶體固態,但能像滑潤的、無黏性的液體那樣流動,他們把這種狀態命名為「超固態」。但是,目前尚沒有其他研究機構能重複其實驗結果。目前的情況是,超流體的每一項研究進展,都是前沿科學的最新動態。

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