超流量子世界的“冰封舞者”

陳子昂 劉玉柱

?普通流體（例如水）因為黏性，無法穿透玻璃杯中、肉眼不可見的毛細孔。但是，在低于2.17開爾文（零下270.98攝氏度）時，液氦會從普通流體變成超流體，可以順著玻璃杯壁“爬”出去，或者從無縫隙的玻璃杯底部“流”出去（繪圖/駱玫）

走進神奇的低溫世界

“床前明月光，疑是地上霜”。1200多年前，當李白獨自在異鄉(xiāng)的房間里踱步時，灑進屋子里的月光應該足夠清冷，讓這位大詩人把平日里對月光如水的贊嘆變成了如霜的哀怨。而這句關于相態(tài)變化的描寫，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種再熟悉不過的相態(tài)。然而，如果世界上的物質還存在一種叫作“超流體”的相態(tài)，你是否會大吃一驚呢？

我們知道，液體流動的快慢與其黏性有關——越黏稠的液體，流動起來就越困難。例如，對比自來水和蜂蜜就可以看出來，蜂蜜黏稠，所以流動得比自來水慢。但是，有些物質在低溫條件下，卻具有超常的流動能力，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，就讓我們穿越時間，回到100多年前。

1908年，荷蘭科學家卡莫林·昂內斯通過液化氦氣，將人造低溫的極限下探到了4.2開爾文（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)——當液氦處于大約2.2開爾文（零下270.95攝氏度）時，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，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)，而沒有發(fā)生形態(tài)上的變化。

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

對比自來水和蜂蜜就可以看出，越黏稠的液體，流動起來越困難

科學家提出，在低于2.17開爾文（零下270.98攝氏度）時，液氦發(fā)生了相變（如果一樣東西由一種物質均勻組成，擁有均勻的物理與化學性質，則稱這種東西只具有一種相。當物質從一種相態(tài)轉變?yōu)榱硪环N相態(tài)時，就可以說這種物質發(fā)生了相變），即在低于2.17開爾文（零下270.98攝氏度）時，看似波瀾不驚、表面毫無變化的液氦，實際上已經擁有了完全不同的物理、化學性質，成了另一個相。科學家把變化前的液氦稱為氦Ⅰ，而把變化后的液氦稱為氦Ⅱ。

科學發(fā)現(xiàn)從來都不是一蹴而就的。發(fā)現(xiàn)液氦的神奇性質的許多年后，經過無數(shù)次嘗試，蘇聯(lián)科學家卡皮查在一次實驗中讓氦Ⅱ流過兩塊間距極小的平行玻璃板。此時，本該由于黏性而流動緩慢、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論多小，氦Ⅱ都能一路暢行無阻，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：

“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：擁有極高的熱導率，導熱性從氦Ⅰ到氦Ⅱ增加了100萬倍，約為室溫下導熱性較好的金屬銅的800倍。這是因為超流體熱傳導速度極快，使其內部幾乎不存在溫差。

?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，常見的熱傳導是擴散過程，熱流的速率與溫差成正比；而超流體的熱傳導是通過波的形式，以固定的速度（在1.6開爾文時約為20米/秒）均勻地將熱量傳遞出去。

“第二聲波”是蘇聯(lián)科學家朗道取的名字。因為和聲波一樣，溫度會以波的形式傳播、衰減，故得此名。

在研究超流體性質的過程中，研究人員將一副螺旋槳固定在裝滿氦Ⅱ的容器中，并設法讓氦Ⅱ流動起來。這時，螺旋槳竟緩緩地開始旋轉。要知道，水這類普通的液體在流動時才會因其黏性而產生摩擦力，使螺旋槳轉動。并不具備黏性的超流體是怎么做到的呢？

于是，蘇聯(lián)物理學家朗道提出了二流體模型來解釋這一悖論。二流體模型認為，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)中無序或無效能狀態(tài)的度量，詳見《知識就是力量》2022年11月刊），可以讓螺旋槳旋轉起來；另一種是超流成分，無黏性且熵為零，也就是說，不會有任何摩擦力，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，德國物理學家能斯特在研究低溫條件下物質的變化時，把熱力學的原理應用到低溫現(xiàn)象和化學反應過程中。他發(fā)現(xiàn)了一個新的規(guī)律，這條規(guī)律被德國物理學家普朗克補充并改述為：“當絕對溫度趨于零時，固體和液體的熵也趨于零。”即在絕對零度下，物質的所有分子都會停止運動、停止釋放能量。也就是說，快要達到絕對零度的液氦的熵也幾乎為零！這就是著名的熱力學第三定律的重要內容。

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。之后多個模型的提出，更是大大擴展了人類對超流體的認知。

“暢游”在科學前沿的超流

超流體在很多高精尖的科技領域具有重要的應用價值。

研制量子計算機是當前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一，它是遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲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)的分解看起來并不復雜，但是當把27或14換成一個5000位的數(shù)字時，普通計算機需要用50億年的時間，而量子計算機只需要2分鐘！

我國已研制出祖沖之二號、九章三號等量子計算原型機，在這一領域處于世界第一方陣。

量子計算機的電路對環(huán)境溫度極為敏感，需要在極低溫條件下運行，這讓量子計算機的重要配套設備——稀釋制冷機有了用武之地。它以超流體液氦為主要材料，能夠為量子計算機提供接近絕對零度的環(huán)境。由于幾乎沒有黏性，超流體液氦在散熱裝置內能夠實現(xiàn)自循環(huán)，制冷效果好、能耗低。

超流因其在低溫物理領域神奇的特性，依舊處在物理學研究的熱點與前沿，吸引著一批又一批科研人員投入對超流現(xiàn)象與性質的研究。或許在不遠的將來，當超流背后的秘密被完全揭開時，一個嶄新的世界將出現(xiàn)在我們眼前！

（責任編輯 / 高琳? 美術編輯 / 周游）