奇異的超流特性

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(dāng)然是從高處流向低處的?？墒?，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)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(tài)下表現(xiàn)出的一些奇特的現(xiàn)象。這是科學(xué)家在研究低溫物理時候所發(fā)現(xiàn)的。20世紀(jì)30年代末，蘇聯(lián)科學(xué)家彼得·卡皮察首先觀測到超低溫液態(tài)氦的超流體特性，由于這一發(fā)現(xiàn)，以及隨后的成果，后來他獲得了1978年諾貝爾物理學(xué)獎。這種超流體的特異現(xiàn)象一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，立刻引起了許多物理學(xué)家的注意，很快，蘇聯(lián)科學(xué)家列夫·朗道用凝聚態(tài)理論成功地解釋了這種現(xiàn)象。在20世紀(jì)70年代末，人們又觀測到更多的超流體現(xiàn)象。

嚴(yán)格地說起來，超流特性關(guān)鍵的表征是無阻力。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(jīng)驗，普通液體想要流過很細的導(dǎo)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，那么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，由于超流體的特殊性質(zhì)，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，并且從另一端流出。所以，在觀測這種超流體的時候，會覺得所觀察的現(xiàn)象和日常經(jīng)驗相左。

超流體還具有很多其他的特異之處。例如，當(dāng)容器中的超流體被攪拌后，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(xiàn)象。普通液體在毛細管中，也會發(fā)生水往高處流的現(xiàn)象，可是在超流體當(dāng)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，并高出容器的頂端。這一點，普通液體就做不到了。

超流體一直是物理學(xué)的前沿課題。由于超流體現(xiàn)象都是在超低溫環(huán)境下觀測到的，所以，從事這項研究需要尖端的研究設(shè)備。最起碼需要很高級的冷卻設(shè)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(zhì)子和2個中子組成的氦－4，另一種是由2個質(zhì)子和1個中子組成的氦－3。前者是最早發(fā)現(xiàn)的超流體，而后者的超流現(xiàn)象直到20世紀(jì)70年代才發(fā)現(xiàn)。1996 年的諾貝爾物理獎授予了三位科學(xué)家，他們是大衛(wèi)·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(fā)現(xiàn)了氦－3的超流性。氦－3的超流性之所以更難被發(fā)現(xiàn)，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。

為什么人們要研究超流體，研究它有什么價值呢？因為超流現(xiàn)象會進一步加深對量子物理的研究進程。德國慕尼黑大學(xué)和馬普學(xué)會量子光學(xué)研究所都是世界級的物理學(xué)研究機構(gòu)，這里的科學(xué)家研究的課題就涉及到超流體，并且用到了激光技術(shù)。他們用激光束構(gòu)筑三維能量點陣，通過改變激光能量，成功地實現(xiàn)了玻色－愛因斯坦凝聚態(tài)下銣原子氣體的超流體態(tài)與絕緣態(tài)間的可逆轉(zhuǎn)換。科學(xué)家認為，該成果在相關(guān)研究中具有里程碑性質(zhì)。

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(jié)晶氦。據(jù)報道說，結(jié)晶氦似乎能像流體一樣流動而沒有任何粘性。最先是理論學(xué)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(zhì)的一種十分奇異的狀態(tài)，該狀態(tài)下的物質(zhì)為一種晶體固態(tài)，但能像滑潤的、無粘性的液體那樣流動，他們把這種狀態(tài)命名為“超固態(tài)”。但是，目前尚沒有其他研究機構(gòu)能重復(fù)其實驗結(jié)果。目前的情況是，超流體的每一項研究進展，都是前沿科學(xué)的最新動態(tài)。

【責(zé)任編輯】李金