超流量子世界的“冰封舞者”

陳子昂 劉玉柱

?普通流體（例如水）因?yàn)轲ば?，無(wú)法穿透玻璃杯中、肉眼不可見(jiàn)的毛細(xì)孔。但是，在低于2.17開(kāi)爾文（零下270.98攝氏度）時(shí)，液氦會(huì)從普通流體變成超流體，可以順著玻璃杯壁“爬”出去，或者從無(wú)縫隙的玻璃杯底部“流”出去（繪圖/駱玫）

走進(jìn)神奇的低溫世界

“床前明月光，疑是地上霜”。1200多年前，當(dāng)李白獨(dú)自在異鄉(xiāng)的房間里踱步時(shí)，灑進(jìn)屋子里的月光應(yīng)該足夠清冷，讓這位大詩(shī)人把平日里對(duì)月光如水的贊嘆變成了如霜的哀怨。而這句關(guān)于相態(tài)變化的描寫(xiě)，也留在了人們的記憶中。

那么，什么是“相態(tài)”呢？

在我們所處的世界中，固體、液體和氣體是3種再熟悉不過(guò)的相態(tài)。然而，如果世界上的物質(zhì)還存在一種叫作“超流體”的相態(tài)，你是否會(huì)大吃一驚呢？

我們知道，液體流動(dòng)的快慢與其黏性有關(guān)——越黏稠的液體，流動(dòng)起來(lái)就越困難。例如，對(duì)比自來(lái)水和蜂蜜就可以看出來(lái)，蜂蜜黏稠，所以流動(dòng)得比自來(lái)水慢。但是，有些物質(zhì)在低溫條件下，卻具有超常的流動(dòng)能力，這就是超流體。

發(fā)現(xiàn)超流的曲折之路

要探究超流體的發(fā)現(xiàn)歷史，就讓我們穿越時(shí)間，回到100多年前。

1908年，荷蘭科學(xué)家卡莫林·昂內(nèi)斯通過(guò)液化氦氣，將人造低溫的極限下探到了4.2開(kāi)爾文（零下268.95攝氏度）。人造低溫讓研究人員有了更多神奇的發(fā)現(xiàn)——當(dāng)液氦處于大約2.2開(kāi)爾文（零下270.95攝氏度）時(shí)，它的比熱容（表示物體吸收和釋放熱量的能力）曲線是不連續(xù)的。也就是說(shuō)，不同溫度下的液氦吸收熱量的能力有很大差異。奇怪的是，液氦仍舊保持著液體的形態(tài)，而沒(méi)有發(fā)生形態(tài)上的變化。

要知道，同一種物質(zhì)在同一形態(tài)下，比熱容應(yīng)該是一個(gè)不變的定值。只有物質(zhì)的形態(tài)發(fā)生改變，比熱容才會(huì)改變。例如，液態(tài)水的比熱容是4.2×10?焦/（千克·攝氏度），是一個(gè)不變的定值；當(dāng)液態(tài)水變成冰時(shí)，冰的比熱容是2.1×10?焦/（千克·攝氏度），也是一個(gè)不變的定值。

對(duì)比自來(lái)水和蜂蜜就可以看出，越黏稠的液體，流動(dòng)起來(lái)越困難

科學(xué)家提出，在低于2.17開(kāi)爾文（零下270.98攝氏度）時(shí)，液氦發(fā)生了相變（如果一樣?xùn)|西由一種物質(zhì)均勻組成，擁有均勻的物理與化學(xué)性質(zhì)，則稱這種東西只具有一種相。當(dāng)物質(zhì)從一種相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相態(tài)時(shí)，就可以說(shuō)這種物質(zhì)發(fā)生了相變），即在低于2.17開(kāi)爾文（零下270.98攝氏度）時(shí)，看似波瀾不驚、表面毫無(wú)變化的液氦，實(shí)際上已經(jīng)擁有了完全不同的物理、化學(xué)性質(zhì)，成了另一個(gè)相?？茖W(xué)家把變化前的液氦稱為氦Ⅰ，而把變化后的液氦稱為氦Ⅱ。

科學(xué)發(fā)現(xiàn)從來(lái)都不是一蹴而就的。發(fā)現(xiàn)液氦的神奇性質(zhì)的許多年后，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次嘗試，蘇聯(lián)科學(xué)家卡皮查在一次實(shí)驗(yàn)中讓氦Ⅱ流過(guò)兩塊間距極小的平行玻璃板。此時(shí)，本該由于黏性而流動(dòng)緩慢、直至停止的氦Ⅱ仿佛不受任何阻力，而且，兩片玻璃板間的縫隙無(wú)論多小，氦Ⅱ都能一路暢行無(wú)阻，這就是超流現(xiàn)象。

超流的“超能力”

超流體具有許多不可思議的性質(zhì)：

“超能力”之一：超流體似乎不存在任何黏性，能夠從直徑為1微米（1厘米的1/10000）的小孔中傾瀉而出。

“超能力”之二：擁有極高的熱導(dǎo)率，導(dǎo)熱性從氦Ⅰ到氦Ⅱ增加了100萬(wàn)倍，約為室溫下導(dǎo)熱性較好的金屬銅的800倍。這是因?yàn)槌黧w熱傳導(dǎo)速度極快，使其內(nèi)部幾乎不存在溫差。

?超流體——氦Ⅱ（左圖），幾乎不存在黏性，能輕松流過(guò)極小的縫隙；水（右圖）卻不行 （繪圖/駱玫）

“超能力”之三：存在“第二聲波”現(xiàn)象。如圖所示，常見(jiàn)的熱傳導(dǎo)是擴(kuò)散過(guò)程，熱流的速率與溫差成正比；而超流體的熱傳導(dǎo)是通過(guò)波的形式，以固定的速度（在1.6開(kāi)爾文時(shí)約為20米/秒）均勻地將熱量傳遞出去。

“第二聲波”是蘇聯(lián)科學(xué)家朗道取的名字。因?yàn)楹吐暡ㄒ粯樱瑴囟葧?huì)以波的形式傳播、衰減，故得此名。

在研究超流體性質(zhì)的過(guò)程中，研究人員將一副螺旋槳固定在裝滿氦Ⅱ的容器中，并設(shè)法讓氦Ⅱ流動(dòng)起來(lái)。這時(shí)，螺旋槳竟緩緩地開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。要知道，水這類普通的液體在流動(dòng)時(shí)才會(huì)因其黏性而產(chǎn)生摩擦力，使螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)。并不具備黏性的超流體是怎么做到的呢？

于是，蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道提出了二流體模型來(lái)解釋這一悖論。二流體模型認(rèn)為，液氦超流體中含有兩種成分，一種是常規(guī)流體成分，它就像正常液體一樣，具有黏性和熵（系統(tǒng)中無(wú)序或無(wú)效能狀態(tài)的度量，詳見(jiàn)《知識(shí)就是力量》2022年11月刊），可以讓螺旋槳旋轉(zhuǎn)起來(lái)；另一種是超流成分，無(wú)黏性且熵為零，也就是說(shuō)，不會(huì)有任何摩擦力，也不攜帶任何熱量！

?日常生活中，熱流的速率與溫差成正比

1906年，德國(guó)物理學(xué)家能斯特在研究低溫條件下物質(zhì)的變化時(shí)，把熱力學(xué)的原理應(yīng)用到低溫現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中。他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的規(guī)律，這條規(guī)律被德國(guó)物理學(xué)家普朗克補(bǔ)充并改述為：“當(dāng)絕對(duì)溫度趨于零時(shí)，固體和液體的熵也趨于零?！奔丛诮^對(duì)零度下，物質(zhì)的所有分子都會(huì)停止運(yùn)動(dòng)、停止釋放能量。也就是說(shuō)，快要達(dá)到絕對(duì)零度的液氦的熵也幾乎為零！這就是著名的熱力學(xué)第三定律的重要內(nèi)容。

直至二流體模型的提出，人們才從宏觀上很好地解釋了液氦超流體的諸多性質(zhì)。之后多個(gè)模型的提出，更是大大擴(kuò)展了人類對(duì)超流體的認(rèn)知。

“暢游”在科學(xué)前沿的超流

超流體在很多高精尖的科技領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

研制量子計(jì)算機(jī)是當(dāng)前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一，它是遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。

例如，我們可以將27分解成3×9，將14分解成2×7……兩位數(shù)的分解看起來(lái)并不復(fù)雜，但是當(dāng)把27或14換成一個(gè)5000位的數(shù)字時(shí)，普通計(jì)算機(jī)需要用50億年的時(shí)間，而量子計(jì)算機(jī)只需要2分鐘！

我國(guó)已研制出祖沖之二號(hào)、九章三號(hào)等量子計(jì)算原型機(jī)，在這一領(lǐng)域處于世界第一方陣。

量子計(jì)算機(jī)的電路對(duì)環(huán)境溫度極為敏感，需要在極低溫條件下運(yùn)行，這讓量子計(jì)算機(jī)的重要配套設(shè)備——稀釋制冷機(jī)有了用武之地。它以超流體液氦為主要材料，能夠?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)提供接近絕對(duì)零度的環(huán)境。由于幾乎沒(méi)有黏性，超流體液氦在散熱裝置內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)自循環(huán)，制冷效果好、能耗低。

超流因其在低溫物理領(lǐng)域神奇的特性，依舊處在物理學(xué)研究的熱點(diǎn)與前沿，吸引著一批又一批科研人員投入對(duì)超流現(xiàn)象與性質(zhì)的研究。或許在不遠(yuǎn)的將來(lái)，當(dāng)超流背后的秘密被完全揭開(kāi)時(shí)，一個(gè)嶄新的世界將出現(xiàn)在我們眼前！

（責(zé)任編輯 / 高琳? 美術(shù)編輯 / 周游）