捉拿超固體

一灘水銀突然之間立了起來，變成了人形的固體，而且化身為窮兇極惡的殺手，它的手臂可以突然變成長劍，他的手指能夠突然變為匕首，并伸縮自如，在別人沒有察覺時突然致人死命。它還能在必要時突然化為一灘水銀，迅速漫到其他地方再重新立起來。人類簡直無法對付它，任何沖擊(木棒或刀槍，甚至子彈)都會很輕易地擊穿它的身體，但恐怖的是，那個被擊穿的洞很快就彌合了起來，變形殺手的能力絲毫沒有被削弱……

還好，這只是科幻影片中的一幕，現實中水銀還不會變形為這么恐怖的固體人。但是近期科學家發現的一種可能存在的固體卻擁有了上述的恐怖能力。

超液體的啟示

超低溫世界的物質性質總是令人感到出乎意料。許多年來，人們對于氦在超低溫下形成的液體所表現出的性質驚訝不已。就像具有特異能力的人可以叫做“超人”一樣，科學家稱它為超流體或超液體。

液體只能乖乖地呆在杯子里，超液體卻可以順著杯子壁向上漫延，直到爬出杯子來到外面；液體中攪動山一個漩渦，漩渦逐漸就消失了，超液體中的漩渦卻可以永遠地在那兒旋著，不減弱也不消失；向液體中插入一根毛細管，在光照下沒有見到什么現象，而向超液體中插入毛細管，光照時卻會噴出美麗的噴泉；要讓液體穿過細密的網，必須給它施加一定的壓力，但是超液體很自覺，不費吹灰之力就可以透過非常細密的網。

總之，超液體沒有了一點內部摩擦粘滯力，它可以隨心所欲做出許多液體做不到的、令我們大吃一驚的事情。但是超液體又是液體，是液體中的另類，由原本不是超液體的液氦變來，在低溫下產生了特異的性質。

科學家在想，既然液體在低溫下會存在另類，那么固體也應該存在低溫下的另類吧？如果另類固體真的存在，那么它將是什么性質呢?

根據超液體與液體的性質對比，我們可以推測那個低溫另類固體的性質：它應該也沒有了內部摩擦粘滯力，那么它就會看起來是固體，其實它卻可以隨意被一些普通固體穿越。而且它的表面也沒有摩擦力，若想把它放在甲板上拖它是不可能的，若是給它施加一個速度，它真的會沿著直線永遠跑下去，只要這條直線式的跑道存在。我們也按照上面的命名方式，把這種固體叫做超固體。

其實，早在1969年，俄羅斯理論物理學家就預言了這種超固體的存在，他們認為極低溫下，超固體晶體中的空隙能夠集中在一起到處流動，如果在超固體一側的空隙中放上固體，那么固體就會隨著這些空隙一起在超固體中隨意穿梭，甚至直接穿越而過。

科學家預測，最有希望出現這種超固體現象的物質還應該是固體氦，而且溫度應該是比液氦的溫度更低。

發現超固體的蹤跡

于是，科學家們直接在液氦的基礎上尋找發現理想中的怪異固體的突破口。

1997年，美國加利福尼亞大學的科學家在液氦的基礎上繼續冷凍加壓，他們用的是一種特殊的氦即氦—4。在冷凍加壓的過程中，他們不斷利用超聲波沖擊固體氦—4，來探測氦—4的性質。只見當溫度降到只有0．2K時，超聲波的傳播速度突然升高，并很快速地在固體氦—4中分散開來。研究者分析，當聲音穿過固體時，會引起原子振動，聲音的傳播有一定的速度。但是如果晶體的一部分變成超固體，它將與晶體的剩余部分脫離聯系，而且它內部沒有任何阻礙傳播的原子振動產生的阻力，于是超聲波傳播的速度加快了。

他們發現的反常現象激起了美國賓夕法尼亞州立大學的科學家的興趣，這些科學家設計了更巧妙的辦法進行實驗。實驗中，他們將氦—4充進玻璃盤中，這種玻璃盤可以旋轉，旋轉過程中不斷冷卻，并加壓至60多個大氣壓。當溫度降到0．175K時，這時的氦—4早已經變成了固態，但是他們卻發現玻璃盤在這個溫度點上的旋轉突然變得輕松了，也就是玻璃盤的旋轉速度突然加快了。只有其中2％的固體氦變成了沒有摩擦力、具有超流動性的超固體，才能解釋這種奇怪的現象。因為超固體不會隨著玻璃盤轉動，所以看上去98％的固體氦正在從2%的靜止超固體氦中隨意穿過。這樣，玻璃盤就只需要拖著98％的固體轉動，于是就可以旋轉得輕松一些。

這種現象會不會是實驗設計缺陷導致的呢?為了排除這種可能性，他們再次用氦—3代替氦—4進行了實驗，因為氦—3與它的兄弟氦—4不同，在極低溫下不容易形成玻色—愛因斯坦凝聚態。果然，他們沒有發現預料中的超固體現象，于是科學家確信，他們所發現的現象就是超固體的性質。

會表演穿墻術的超固體問世了。《聊齋志異》中經常會有這樣一幕：一個人向一堵墻走去，只見他很快從墻的一側沒入了墻，又很快從墻的另一側顯現了出來。固體也可以毫不猶豫地向超固體走去，很快從超固體的一側消失，又從另一側出現。或者這種超固體出現上述科幻片中的一幕：能夠任意變形，任何物體撞擊它，都會很容易撞出一個洞，但是恐怖的是，轉眼之間，洞就自動彌合了。這種超固體不怕任何傷害。

超固體并不存在?

所有的實驗都證明，在壓強足夠、溫度低于0．2K時，就會有1％以上的固體氦表現出異常的性質。至此，我們是否可以確定固體氦在一定條件會變成超固體了?事情的發展還沒有那么順利，往往總是一波三折。

近期，另外的兩位研究者卻發現，當讓氦—4在固體氦的熔點附近保持幾個小時，再慢慢降溫到0．2K以下，就會只有0．05％的固體氦，甚至沒有固體氦表現出超固體的性質。這該如何解釋呢?

我們知道晶體在結晶的過程中若是緩慢降溫，晶體則排列比較緊密整齊，晶體的顆粒比較大。氦在形成晶體的過程中，其降溫速度也同樣會影響到晶體的排列，若降溫速度較慢，晶體內部結構就會比較整齊，內部的瑕隙較少。難道晶體內部的混亂和瑕隙與超固體的性質密切相關?

研究者又進行了進一步的實驗，他們基本上是重復賓夕法尼亞州立大學的實驗過程，但是卻是讓氦—4以極快的速度冷凍結晶，這樣會在結晶中引入更多的混亂和瑕隙，結果正如所預料的那樣，有20％之多的固體氦表現出了超固體的性質。

難道超固體的性質真的是低溫下晶體內部的混亂造成的嗎?

科學家在研究過程中發現，晶體一般在兩種情況下會表現出超固體的性質，一種情況就是晶體中存在許多裂隙。還有一種情況，就是當氦—4所形成的晶體非常混亂，像一塊玻璃時，也會表現出超流動性，這時的晶體狀態叫超玻璃態。

為什么質量完美的晶體沒有觀察到無摩擦的超流動性，而晶體內部有裂隙卻會出現這種現象呢?科學家分析，這是因為晶體的邊界處有一層液氦膜，就像冰的表面有一層水膜一樣。正是液氦的超流動性潤滑了晶體的邊界，讓氦晶體整體體現出一定的超固體的性質。第二種情況，當氦—4的排列像玻璃時，這種極低溫下的玻璃很容易變形滑動，所以才會讓晶體呈現出超固體的性質。

根據近期科學家的這些發現和分析，前幾年被炒作得沸沸揚揚的超固體好像并不存在，它只是晶體內部缺陷導致的整體表現而已。1969年，俄羅斯物理學家的預言先是被肯定，現在又被否定了。這真有點戲劇性的變化。

繼續捉拿超固體

但是這場戲還沒有完。超固體現象的發現者認為，雖然固體氦晶體內部的混亂和罅隙可以因為晶體邊界的液氦膜的流動而使晶體呈現出超固體現象，但是確實也應該存在很少部分的固體氦轉變成了超固體，因為他們測量了固體氦在降溫過程中釋放熱量的多少，他們發現在轉動的圓盤體現出轉快的時侯，氦突然釋放出了更多的熱量，就像水變成冰時，會在0℃那一點釋放出大量的熱量。這說明固體氦肯定發生了變化，應該是從一種固體形式變成了另一種固體形式。而混亂的晶體邊界無摩擦的滑動卻不會釋放更多的熱量。

這種放熱現象是否證明了怪異的超固體確實存在呢?科學家們的爭論還沒有停息。

（選自《科學之謎》）