一種不肯守規矩的液體
想象一個寒冷早晨裡的蜂蜜,或者乾脆就是杯子裡的清水。把杯子一斜,水就流了起來,可它流得並不*自在*——每一層液體都拖拽著挨著它的那一層,整團水還在跟杯壁較勁。這種內在的黏糊勁兒,也就是液體跟自己之間的摩擦,有個名字:*黏滯性*。蜂蜜的黏滯性很大,水的小一些,但凡是普通液體,多多少少都有一點。這也正是為什麼,一杯攪過的咖啡轉著轉著,最終總會安靜下來。
現在,來認識一種把黏滯性徹底扔掉了的液體。攪動它,它就會一直轉下去——不是轉幾分鐘,也不是轉幾天,而是原則上永遠轉下去,因為根本沒有摩擦來給它減速。把它擠向一條細到能讓水徹底卡住的微觀裂縫,它卻筆直地穿了過去。這樣的液體,叫做[[superfluid|超流體]],而我們手頭最乾淨的例子,就是被冷卻到離物理學所允許的最低溫度只差大約兩度的液氦。
為什麼偏偏是氦,又為什麼得這麼冷
溫度說到底,不過是在衡量原子抖動、互相碰撞得有多猛烈——東西越熱,這種[[thermal-motion|熱運動]]就越瘋狂。想看清一種物質身上最安靜、最溫柔的量子行為,你就得把這種抖動幾乎完全壓下去,而那就意味著要冷到近乎殘酷的地步。
麻煩就在這兒:幾乎任何別的物質冷到那麼低,早在魔法發生之前,就先凍成固體了。氦是個偉大的例外。它的原子又輕、彼此又抓得極鬆,以至於哪怕到了絕對零度,它們仍舊抖得太厲害,鎖不進晶體裡去——於是氦一路保持著[[liquid|液體]]的身份,直抵溫標的最底端。正是這份死活不肯結冰的倔強,才給量子的怪誕留出了登場的餘地。那個最常見的同位素,[[superfluid-helium-4|氦-4]],就是這篇嚮導的主角。
魔法被點亮的那一刻
如果你一邊慢慢給液態氦-4降溫,一邊盯著它看,幾乎什麼動靜都沒有——直到你越過某個精確的溫度,大約比絕對零度高出2.17度。就在那裡,液體猛地改換了它的性情。在那個刻度之上,它是一種普通的(儘管極冷的)沸騰著的液體;在那個刻度之下,它就成了超流體。這樣一種性情的驟變,物質從一種組織方式翻轉到另一種,叫做[[phase-transition|相變]]——和水結成冰、或者沸騰成蒸汽,是同一類事件。
物理學家把這個特別的轉折點叫做[[lambda-transition|λ相變]],這名字裡藏著個小小的玩笑。如果你把液體隨溫度變化、吸收熱量的本領畫成曲線,那條曲線會在相變處猛地竄起一個尖峰,整個形狀活像希臘字母λ。這件事發生的那個溫度,就叫*λ點*。越過它,正是一缸冷氦悄無聲息地變成有史以來被研究過的最非凡物質之一的那一刻。
三個不可能的把戲
一旦越過λ點,超流氦就開始做一些看上去簡直像是巫術的事。下面這三件,是最讓當年頭一回親眼看見的科學家心神不寧的。
- 它能漏過漏不過去的東西。把一根管子塞滿細得連氣體都難以通過的粉末,普通液體在裡面寸步難行。超流氦卻長驅直入,因為既然沒有黏滯性,就沒有任何東西能拖住它——這種內摩擦的徹底消失,正是它的標誌性特徵,叫做[[zero-viscosity|零黏滯性]]。
- 它的旋轉永不停歇。讓普通的水在一條環形通道裡打轉,幾秒鐘它就消停了。讓超流氦以同樣的方式轉起來,那股流動卻一小時又一小時地持續下去,慢不下來到任何儀器都量不出——這是一道永不停息的環流,沒有任何東西能把它的運動耗光。
- 它會從自己的容器裡爬出去。這是三者中最詭異的一件,下一節專門講它。
這幾個把戲,其實是同一樁事實換上了不同的戲裝。這液體內部根本沒有任何東西能耗散運動,沒有任何內在的抓力去給流動減速、或把它釘在原地——而一旦你把摩擦從一種液體裡拿走,你從水那裡學來的所有規矩,便都悄悄地不再作數了。
那層會爬牆的薄膜
舀一些超流氦倒進一隻敞口的杯子,讓它在低溫裡靜靜地待著。慢慢地,沒有泵,也沒有誰去推,液面竟自己往下降了——同時,在杯子外側的底部,凝出一滴正懸著、與之相稱的液滴。原來氦已經順著內壁爬了上去,翻過杯口,再沿著外壁淌下來,一滴一滴地把自己掏空。擱得夠久,杯子就見底了。
秘密藏在一層薄如蟬翼、只有幾十個原子厚的膜裡,它會覆蓋到液體所碰觸的每一個表面。在普通液體裡,這樣一層膜會被黏滯性死死粘在原地。可超流體的膜感覺不到任何摩擦,於是每個表面對液體那點輕柔的吸附之力,就足以讓它流上去、再翻過任何障礙,活像一根沒有管子的隱形虹吸。這層悄悄蔓延的「皮膚」,叫做[[superfluid-film|超流膜]],而眼看著一隻杯子就這樣把自己靜悄悄地掏空,是低溫物理裡最難忘的景象之一。