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整个流体共一波

为什么超流体能永远流下去、慢都不慢一下?答案是:它根本就不是一群各自为政的原子,而是一道伪装成液体的、单一的量子波。这篇向导一步步把这幅图景搭起来,并说明摩擦为什么根本无处下手。

从万千道波到一道波

上一篇向导,我们以一个惊人的论断收尾:玻色子一旦凝聚,它们各自分立的物质波就锁定步调,汇合成一道铺满整份样品的巨波。这道唯一的共享之波,被命名为[[macroscopic-quantum-coherence|宏观量子相干]]。这篇向导,要把这个想法当真,并追问它究竟给我们带来了什么。

把普通液体想成一大群人,每个人爱往哪儿走就往哪儿走。要描述它,你得给每一个人单独写一份报告。现在,把氦中那部分超流体想成一支行进乐队,所有人共享着同一套编排:要描述整支乐队,你只需一份说明——他们正一齐表演的那套动作。这一份说明,就是一道横贯整团液体的、单一的波,而超流体里的每一个原子,干脆*就是*它的一部分。

把它系成一体的隐秘秩序

物理学家有一种精确的办法,去检验一团流体是否真的变成了一道共享的波。这个检验问的是:如果我盯着液体里某一点处波的节拍,再去看容器对面老远一点处的节拍,这两处是否仍旧分毫不差地合着同一个拍子?在普通液体里,答案是否定的——这种关联,不出几个原子宽的距离就消退成零。在超流体里,答案却是肯定的,哪怕隔着整份样品。

这种跨越远距离的“合拍”,有个吓人的名字——[[off-diagonal-long-range-order|非对角长程序]]——可它底下的想法既简单又美。它说的是:波的相位,也就是它“此刻处在上下起伏循环中哪一步”的那份意识,能跨越宏观的距离始终连成一气。这是[[bose-einstein-condensate|玻色-爱因斯坦凝聚体]]严谨的指纹:是“整团液体当真共享着一道波,而非仅仅是邻近的几小片各享各的”这一事实的数学签名。

一瓶里藏着两种流体

这里有一处微妙之处,是实验逼着我们承认的。在λ点以下,氦并*不是整团*都成了一道巨波。在任何高于绝对零度的温度下,总有那么一点点残余的热量,让一部分原子还按着从前那种杂乱的老样子推推搡搡。所以真实的超流氦,表现得就好像是两种液体掺在了一起,共用同一片空间,又能自由地彼此穿流而过。

  1. 超流部分:锁进那道共享之波里的原子。它不携带热量,流动时也绝无任何摩擦。
  2. 正常部分:仍被残余热量搅动着的原子。它表现得像一种普通的、略带黏性的液体,所有的暖意都由它携带。
  3. 随着你向绝对零度冷却,超流部分越来越大,正常部分越来越小。而刚跌到λ点以下时则相反——几乎全是正常的,只剩一丝若有若无的超流(而恰在λ点处,超流的份额则完全归于零)。

这幅图景——一瓶氦表现得像是一种完美无摩擦的流体与一种普通暖流体的混合——就是[[two-fluid-model|二流体模型]]。这并不是说原子在物理上真有两种;而是同一拨原子,在统计意义上分成了两份,一份已经加入了那道共享之波,另一份还没有。这个模型在预言氦的行为上出奇地成功,连下一篇向导里你将遇到的那个奇怪的喷泉效应,它也算得出来。

为什么摩擦抓不住它

现在,我们可以回答开篇那个问题了。普通液体里的摩擦,靠的是从流动的液体那儿一点点偷走能量——把一个个原子撞向器壁、撞向彼此,把运动一点一点地耗散成随机的热。要给一股流动减速,你必须能够一次剥下一个原子、把它打偏到一边去。

可超流部分是一道刚硬的、共享的波;根本没有分立的原子可供剥离。要给它减速,你就得一下子推动整道波——把整支行进乐队一齐打乱步调——而那需要一大口突如其来的能量,是一股温和的流动根本拿不出来的。在某个速度之下,这道波压根没有任何被允许的途径来甩掉能量,于是它索性不甩。这才是[[zero-viscosity|零黏滞性]]真正的含义:不是摩擦很小,而是制造摩擦的种种途径统统被禁止了——除非你推得足够狠。

它有一道速度上限

“除非你推得足够狠”,这是一个重要的漏洞。如果你逼着超流体越流越快,你终究会撞上一个速度,在那儿它*终于*负担得起甩掉能量了——靠着在波里搅起种种扰动——而到了那一刻,摩擦便重新打开,魔法随之破灭。这个临界的速度,叫做[[critical-velocity|临界速度]]

在临界速度以下,[[superfluid|超流体]]流动起来毫无任何阻力可言;超过它,它就越来越像一种普通的、黏糊糊的液体。所以超流性并非无条件的——它是流体唯有在动得足够温柔时才享有的一份特权。临界速度这一个数字,标出了寻常世界与那个无摩擦世界之间的边界。