從萬千道波到一道波
上一篇嚮導,我們以一個驚人的論斷收尾:玻色子一旦凝聚,它們各自分立的物質波就鎖定步調,匯合成一道鋪滿整份樣品的巨波。這道唯一的共享之波,被命名為[[macroscopic-quantum-coherence|宏觀量子相干]]。這篇嚮導,要把這個想法當真,並追問它究竟給我們帶來了什麼。
把普通液體想成一大群人,每個人愛往哪兒走就往哪兒走。要描述它,你得給每一個人單獨寫一份報告。現在,把氦中那部分超流體想成一支行進樂隊,所有人共享著同一套編排:要描述整支樂隊,你只需一份說明——他們正一齊表演的那套動作。這一份說明,就是一道橫貫整團液體的、單一的波,而超流體裡的每一個原子,乾脆*就是*它的一部分。
把它繫成一體的隱秘秩序
物理學家有一種精確的辦法,去檢驗一團流體是否真的變成了一道共享的波。這個檢驗問的是:如果我盯著液體裡某一點處波的節拍,再去看容器對面老遠一點處的節拍,這兩處是否仍舊分毫不差地合著同一個拍子?在普通液體裡,答案是否定的——這種關聯,不出幾個原子寬的距離就消退成零。在超流體裡,答案卻是肯定的,哪怕隔著整份樣品。
這種跨越遠距離的「合拍」,有個嚇人的名字——[[off-diagonal-long-range-order|非對角長程序]]——可它底下的想法既簡單又美。它說的是:波的相位,也就是它「此刻處在上下起伏循環中哪一步」的那份意識,能跨越宏觀的距離始終連成一氣。這是[[bose-einstein-condensate|玻色-愛因斯坦凝聚體]]嚴謹的指紋:是「整團液體當真共享著一道波,而非僅僅是鄰近的幾小片各享各的」這一事實的數學簽名。
一瓶裡藏著兩種流體
這裡有一處微妙之處,是實驗逼著我們承認的。在λ點以下,氦並*不是整團*都成了一道巨波。在任何高於絕對零度的溫度下,總有那麼一點點殘餘的熱量,讓一部分原子還按著從前那種雜亂的老樣子推推搡搡。所以真實的超流氦,表現得就好像是兩種液體摻在了一起,共用同一片空間,又能自由地彼此穿流而過。
- 超流部分:鎖進那道共享之波裡的原子。它不攜帶熱量,流動時也絕無任何摩擦。
- 正常部分:仍被殘餘熱量攪動著的原子。它表現得像一種普通的、略帶黏性的液體,所有的暖意都由它攜帶。
- 隨著你向絕對零度冷卻,超流部分越來越大,正常部分越來越小。而剛跌到λ點以下時則相反——幾乎全是正常的,只剩一絲若有若無的超流(而恰在λ點處,超流的份額則完全歸於零)。
這幅圖景——一瓶氦表現得像是一種完美無摩擦的流體與一種普通暖流體的混合——就是[[two-fluid-model|二流體模型]]。這並不是說原子在物理上真有兩種;而是同一撥原子,在統計意義上分成了兩份,一份已經加入了那道共享之波,另一份還沒有。這個模型在預言氦的行為上出奇地成功,連下一篇嚮導裡你將遇到的那個奇怪的噴泉效應,它也算得出來。
為什麼摩擦抓不住它
現在,我們可以回答開篇那個問題了。普通液體裡的摩擦,靠的是從流動的液體那兒一點點偷走能量——把一個個原子撞向器壁、撞向彼此,把運動一點一點地耗散成隨機的熱。要給一股流動減速,你必須能夠一次剝下一個原子、把它打偏到一邊去。
可超流部分是一道剛硬的、共享的波;根本沒有分立的原子可供剝離。要給它減速,你就得一下子推動整道波——把整支行進樂隊一齊打亂步調——而那需要一大口突如其來的能量,是一股溫和的流動根本拿不出來的。在某個速度之下,這道波壓根沒有任何被允許的途徑來甩掉能量,於是它索性不甩。這才是[[zero-viscosity|零黏滯性]]真正的含義:不是摩擦很小,而是製造摩擦的種種途徑統統被禁止了——除非你推得足夠狠。
它有一道速度上限
「除非你推得足夠狠」,這是一個重要的漏洞。如果你逼著超流體越流越快,你終究會撞上一個速度,在那兒它*終於*負擔得起甩掉能量了——靠著在波裡攪起種種擾動——而到了那一刻,摩擦便重新打開,魔法隨之破滅。這個臨界的速度,叫做[[critical-velocity|臨界速度]]。
在臨界速度以下,[[superfluid|超流體]]流動起來毫無任何阻力可言;超過它,它就越來越像一種普通的、黏糊糊的液體。所以超流性並非無條件的——它是流體唯有在動得足夠溫柔時才享有的一份特權。臨界速度這一個數字,標出了尋常世界與那個無摩擦世界之間的邊界。