一种不肯守规矩的液体
想象一个寒冷早晨里的蜂蜜,或者干脆就是杯子里的清水。把杯子一斜,水就流了起来,可它流得并不*自在*——每一层液体都拖拽着挨着它的那一层,整团水还在跟杯壁较劲。这种内在的黏糊劲儿,也就是液体跟自己之间的摩擦,有个名字:*黏滞性*。蜂蜜的黏滞性很大,水的小一些,但凡是普通液体,多多少少都有一点。这也正是为什么,一杯搅过的咖啡转着转着,最终总会安静下来。
现在,来认识一种把黏滞性彻底扔掉了的液体。搅动它,它就会一直转下去——不是转几分钟,也不是转几天,而是原则上永远转下去,因为根本没有摩擦来给它减速。把它挤向一条细到能让水彻底卡住的微观裂缝,它却笔直地穿了过去。这样的液体,叫做[[superfluid|超流体]],而我们手头最干净的例子,就是被冷却到离物理学所允许的最低温度只差大约两度的液氦。
为什么偏偏是氦,又为什么得这么冷
温度说到底,不过是在衡量原子抖动、互相碰撞得有多猛烈——东西越热,这种[[thermal-motion|热运动]]就越疯狂。想看清一种物质身上最安静、最温柔的量子行为,你就得把这种抖动几乎完全压下去,而那就意味着要冷到近乎残酷的地步。
麻烦就在这儿:几乎任何别的物质冷到那么低,早在魔法发生之前,就先冻成固体了。氦是个伟大的例外。它的原子又轻、彼此又抓得极松,以至于哪怕到了绝对零度,它们仍旧抖得太厉害,锁不进晶体里去——于是氦一路保持着[[liquid|液体]]的身份,直抵温标的最底端。正是这份死活不肯结冰的倔强,才给量子的怪诞留出了登场的余地。那个最常见的同位素,[[superfluid-helium-4|氦-4]],就是这篇向导的主角。
魔法被点亮的那一刻
如果你一边慢慢给液态氦-4降温,一边盯着它看,几乎什么动静都没有——直到你越过某个精确的温度,大约比绝对零度高出2.17度。就在那里,液体猛地改换了它的性情。在那个刻度之上,它是一种普通的(尽管极冷的)沸腾着的液体;在那个刻度之下,它就成了超流体。这样一种性情的骤变,物质从一种组织方式翻转到另一种,叫做[[phase-transition|相变]]——和水结成冰、或者沸腾成蒸汽,是同一类事件。
物理学家把这个特别的转折点叫做[[lambda-transition|λ相变]],这名字里藏着个小小的玩笑。如果你把液体随温度变化、吸收热量的本领画成曲线,那条曲线会在相变处猛地窜起一个尖峰,整个形状活像希腊字母λ。这件事发生的那个温度,就叫*λ点*。越过它,正是一缸冷氦悄无声息地变成有史以来被研究过的最非凡物质之一的那一刻。
三个不可能的把戏
一旦越过λ点,超流氦就开始做一些看上去简直像是巫术的事。下面这三件,是最让当年头一回亲眼看见的科学家心神不宁的。
- 它能漏过漏不过去的东西。把一根管子塞满细得连气体都难以通过的粉末,普通液体在里面寸步难行。超流氦却长驱直入,因为既然没有黏滞性,就没有任何东西能拖住它——这种内摩擦的彻底消失,正是它的标志性特征,叫做[[zero-viscosity|零黏滞性]]。
- 它的旋转永不停歇。让普通的水在一条环形通道里打转,几秒钟它就消停了。让超流氦以同样的方式转起来,那股流动却一小时又一小时地持续下去,慢不下来到任何仪器都量不出——这是一道永不停息的环流,没有任何东西能把它的运动耗光。
- 它会从自己的容器里爬出去。这是三者中最诡异的一件,下一节专门讲它。
这几个把戏,其实是同一桩事实换上了不同的戏装。这液体内部根本没有任何东西能耗散运动,没有任何内在的抓力去给流动减速、或把它钉在原地——而一旦你把摩擦从一种液体里拿走,你从水那里学来的所有规矩,便都悄悄地不再作数了。
那层会爬墙的薄膜
舀一些超流氦倒进一只敞口的杯子,让它在低温里静静地待着。慢慢地,没有泵,也没有谁去推,液面竟自己往下降了——同时,在杯子外侧的底部,凝出一滴正悬着、与之相称的液滴。原来氦已经顺着内壁爬了上去,翻过杯口,再沿着外壁淌下来,一滴一滴地把自己掏空。搁得够久,杯子就见底了。
秘密藏在一层薄如蝉翼、只有几十个原子厚的膜里,它会覆盖到液体所碰触的每一个表面。在普通液体里,这样一层膜会被黏滞性死死粘在原地。可超流体的膜感觉不到任何摩擦,于是每个表面对液体那点轻柔的吸附之力,就足以让它流上去、再翻过任何障碍,活像一根没有管子的隐形虹吸。这层悄悄蔓延的“皮肤”,叫做[[superfluid-film|超流膜]],而眼看着一只杯子就这样把自己静悄悄地掏空,是低温物理里最难忘的景象之一。