超流宇宙中沒有速度限制,科學家已經解開了它神秘的面紗

2020-10-03 Snail先生


外來粒子粘附在超流體的所有表面上,屏蔽了它與大塊超流體的相互作用。

在氦-3超流體寒冷、稠密的介質中,科學家們最近有了一個意外的發現。穿過介質的異物可以超過臨界速度限制而不破壞脆弱的超流體本身。

由於這與我們對超流性的理解相悖,一個大的謎團需要科學家加以研究,並解釋。科學家通過重現和研究這種現象,已經弄清楚了它是如何發生的。超流體中的粒子粘附在物體上,屏蔽了它與大塊超流體的相互作用,從而防止了超流體的破裂。

「超流氦-3雖然是一種相對稠密的液體,但對於一根穿過它的棒來說,它感覺像是真空。英國蘭開斯特大學的物理學家薩穆裡·奧蒂說:「沒有阻力,一點阻力都沒有。這非常有趣。」超流體是一種流體,它具有零粘度和零摩擦,因此流動時不會損失動能。氦-4同位素的玻色子可以相對容易地製造出氦-4同位素,當氦-4同位素冷卻到絕對零度以上時,其速度減慢到足以重疊,形成一個高密度的原子團,充當一個「超級原子」。

不過,這些「超級原子」只是一種超流體。另一個基於玻色子的兄弟是費米子。費米子是包括像電子和夸克這樣的原子構造塊的粒子。

當冷卻到某個溫度以下時,費米子以庫珀對的形式結合在一起,每對由兩個費米子組成,它們共同構成一個複合玻色子。這些庫珀對的行為完全類似玻色子,因此可以形成超流體。

研究小組用氦-3製造了他們的費米子超流,氦-3是一種稀有的氦同位素,缺少一個中子。當冷卻到絕對零度以上萬分之一度(0.0001開爾文,或-273.15攝氏度/-459.67華氏度)時,氦-3形成了庫珀對。

這些超流體相當脆弱,如果一個物體以超過一定的速度(稱為臨界朗道速度)穿過它,庫珀對就會破裂。

然而,蘭開斯特大學(Lancaster University)的研究人員在2016年的一篇論文中發現,在不破壞氦-3超流體的情況下,一根金屬棒可以超過這個速度而不會破壞它。

在隨後的實驗中,他們測量了使線材穿過超流體所需的力。當金屬絲開始移動時,他們測量到了一個非常小的力,但是一旦它移動了,繼續運動所需的力是零,只要輕輕推一下它,它就走了。

研究小組得出的結論是,最初的力來自於庫珀對的移動,以適應這種運動,對線材施加小的啟動力。但是,在那之後,電線可以自由移動,基本上是用一層銅線對來偽裝的。

蘭開斯特大學的物理學家Ash Jennings說:「通過改變棒的運動方向,我們可以得出結論,即使在棒的速度非常快的情況下,棒也會被覆蓋在其上的束縛粒子所掩蓋,而不受超流體的影響。」

這一新發現可能有一些有趣的含義。

費米子超流體可以用來製造超導體,而超導體又作為量子計算機的一個重要組成部分正在研究中。更多地了解超流體的行為方式和原因,可能會讓科學家使物體在超流體中以接近光速或者超過光速的速度運行。

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    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。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。
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