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一份一份的渦旋

去轉動一桶超流體,它沒法像普通的水那樣旋起來。它反倒會讓自己穿滿一個個微型龍捲風,每一個都有著固定、完全相同的強度——這是一份一份、不可再分的渦旋。這篇嚮導,帶你走進這些量子化的渦旋,還有第二樁奇景:單憑熱量就能驅動的噴泉。

一種不肯像水那樣轉的液體

攪一杯茶,整團液體平滑地轉起來,看你怎麼攪,可能邊緣轉得最快,也可能中心轉得最快——但無論如何,它是作為一個相互連著的整體在旋轉,每一部分都可以按自己的節奏自由地動。超流體卻斷然拒絕這麼幹。正因為它是一道共享的量子波,它壓根沒法作為一個平滑的整體來旋轉;那道波嚴苛的內部賬目,乾脆就不許這麼做。

那麼,如果你真把一桶超流氦放上轉盤轉起來,會怎樣呢?液體找到了一個巧妙的折中。它的絕大部分紋絲不動,拒絕旋轉。旋轉轉而被逼進零零散散的一群微型渦旋裡——一根根針尖般細的龍捲風,穿透了那本來一動不動的流體。而在它們之間,氦根本不轉。

為什麼渦旋都是固定的大小

真正古怪的地方在這裡。這些渦旋中的每一個,都攜帶著分毫不差、一模一樣的環流量——同樣固定的環流「強度」。你沒法把某一個弄得稍強一點,或稍弱一點。如果你把桶轉得更快,液體不會把現有的渦旋轉得更猛;它只是單純地造出*更多*的渦旋,每一個都和上一個一模一樣,排成一個齊整的格子,像箱子裡碼放的蘋果。

這些叫做[[quantized-vortex|量子化渦旋]]——「量子化」意思是它們只以整份、不可分割的單位出現,絕無零頭,就像錢只以整枚硬幣出現一樣。每一個,都恰是一枚硬幣那麼多的旋轉。原因可以一直追溯回上一篇嚮導講的[[macroscopic-quantum-coherence|宏觀量子相干]]:那道唯一的共享之波,繞著任何一個迴路走一圈,都必須平滑地與自己重新接上,而這條要求只准許整數個環流單位。半個渦旋會把波撕裂;大自然不允許。

靠熱量噴湧的噴泉

現在來看第二樁奇景,也是整個物理學裡最漂亮的演示之一。取一根玻璃管,底部塞滿細粉末,把它浸進一缸超流氦裡,再輕輕地給管內的液體加點熱——比方說,拿一點光照一照它。氦的反應,是從管子頂端噴射而出,化作一道能躥起幾十釐米高的噴泉。

給液體加熱,反倒讓它往上噴,這聽起來是反的——熱量通常只會讓東西膨脹或沸騰,可不會噴泉。[[two-fluid-model|二流體模型]]把它解釋得漂亮極了。記住,超流部分不攜帶熱量,而正常部分把熱量全攬了下來。那些細粉末,讓無摩擦的超流部分輕鬆穿過,卻擋住黏糊糊的正常部分。給管子加熱,會把一部分超流體轉化成正常流體,於是管內的超流濃度就降了下來。管外的超流體隨即從粉末間湧進來,想把濃度抹平——可它無處可去,便從頂端溢出,化作噴泉。

這就是[[superfluid-fountain-effect|超流噴泉效應]]。它給我們的啟示是:在超流體裡,熱量與流動以一種在日常液體中絕無對應的方式糾纏在一起——單單一個溫度差,本身就能把流體泵起來,根本不需要任何機械泵。

超流體的第二種風味

迄今為止講的,都是普通的氦,也就是[[superfluid-helium-4|氦-4]],它的原子是玻色子,所以以最直截了當的方式凝聚。可氦還有一種更稀有、更輕的同位素——氦-3,它的原子是費米子,也就是那些拒絕共享狀態的獨行客。按前幾篇嚮導的規矩,這些原子本該壓根沒法凝聚才對。

然而,再冷上一千倍——冷到比絕對零度只高出千分之幾度——氦-3*竟然也*變成了超流體。訣竅在於:它的原子兩兩成對,而一對費米子合在一起,行為就像單個玻色子,於是便能凝聚了。這就是[[superfluid-helium-3|超流氦-3]],它甚至比它的表親更加豐富多彩:那些對子能以好幾種不同的樣式排列,賦予它多個性情各異的超流相。這跟電子配對造出超導體的訣竅一模一樣——又一次提醒我們,這些無摩擦的狀態彼此之間淵源極深。