想象一下，你給自己泡了一杯咖啡，攪拌并讓它靜置五分鐘，然后發(fā)現(xiàn)它還在旋轉(zhuǎn)。接著想象一下，你拿起那個(gè)杯子，咖啡直接從底部掉了下來(lái)，同時(shí)也開(kāi)始從杯子側(cè)面往上爬并流了出來(lái)。這聽(tīng)起來(lái)像是天方夜譚，但如果你的杯子裝的是冷卻到-270℃左右的氦，你就會(huì)看到以上所描述的現(xiàn)象。因?yàn)樵谀莻€(gè)溫度下，氦變成了一種稱為超流體的奇怪物質(zhì)。這是一個(gè)奇異的超冷現(xiàn)象世界的一部分，這些現(xiàn)象為理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家贏得了數(shù)個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。

簡(jiǎn)介

要理解超流體的工作原理，了解一點(diǎn)粒子的行為會(huì)有所幫助。多虧了量子力學(xué)，像原子這樣的東西不可能會(huì)有連續(xù)的能量。相反，它們的能量是離散的。也就是說(shuō)，它們可以在不同能級(jí)之間跳躍，但不能處在能級(jí)之間。但在日常生活中，我們并沒(méi)有注意到這些，因?yàn)橛刑嗔Ｗ拥碾S機(jī)運(yùn)動(dòng)，以至于其他效應(yīng)超過(guò)了量子效應(yīng)。

但是，當(dāng)我們把溫度降下來(lái)時(shí)，情況開(kāi)始變得有些不一樣了。在低溫下，大多數(shù)東西都會(huì)凍結(jié)成固體。但是氦在元素中是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗旧喜粫?huì)凍結(jié)。在大氣壓下，它到接近絕對(duì)零度時(shí)都還保持著液態(tài)。但是，在到達(dá)絕對(duì)零度之前，事情就變得很奇怪了。

當(dāng)溫度下降到-270℃的范圍，液氦就好像忘記了物質(zhì)應(yīng)該如何工作，發(fā)生這種情況是因?yàn)樵釉诶鋮s時(shí)會(huì)落入越來(lái)越低的能量狀態(tài)。根據(jù)量子力學(xué)，當(dāng)更多的氦原子處于相同能級(jí)時(shí)，它們開(kāi)始表現(xiàn)得一致。因此它們不會(huì)相互碰撞，甚至不會(huì)像普通液體那樣朝不同得方向移動(dòng)，所有的一切混亂都被超流體的完美協(xié)調(diào)統(tǒng)一所取代。

因?yàn)樗鼈兌家黄鹨苿?dòng)，所以沒(méi)有原子的相互碰撞和滑落，這意味著它們之間的摩擦力幾乎為零。所以當(dāng)你攪拌它們并靜置一段時(shí)間，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們基本不會(huì)停止旋轉(zhuǎn)。這種超流體還會(huì)滑過(guò)任何的東西，包括杯子底部的微小裂紋。此外，所有液體都會(huì)傾向于爬上它們所在的容器的壁，但通常情況下，壁和液體之間的摩擦?xí)窒@種影響。但超流體并非如此，它會(huì)爬上杯壁并向外溢出。

原理

這些效應(yīng)并不適用于任何氦原子，它適用于氦-4。它有兩個(gè)中子、兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)電子，這種配置使它的自旋為整數(shù)，因此它的行為就像是一種稱為玻色子的粒子。玻色子不用遵循泡利不相容原理，兩個(gè)相同的粒子可以占據(jù)相同的能級(jí)。只有這類型的原子才能一起掉入那種低能狀態(tài)，成為超流體。

毫開(kāi)爾文，相比之下氦-4要2.1開(kāi)爾文。