一种不肯像水那样转的液体
搅一杯茶,整团液体平滑地转起来,看你怎么搅,可能边缘转得最快,也可能中心转得最快——但无论如何,它是作为一个相互连着的整体在旋转,每一部分都可以按自己的节奏自由地动。超流体却断然拒绝这么干。正因为它是一道共享的量子波,它压根没法作为一个平滑的整体来旋转;那道波严苛的内部账目,干脆就不许这么做。
那么,如果你真把一桶超流氦放上转盘转起来,会怎样呢?液体找到了一个巧妙的折中。它的绝大部分纹丝不动,拒绝旋转。旋转转而被逼进零零散散的一群微型涡旋里——一根根针尖般细的龙卷风,穿透了那本来一动不动的流体。而在它们之间,氦根本不转。
为什么涡旋都是固定的大小
真正古怪的地方在这里。这些涡旋中的每一个,都携带着分毫不差、一模一样的环流量——同样固定的环流“强度”。你没法把某一个弄得稍强一点,或稍弱一点。如果你把桶转得更快,液体不会把现有的涡旋转得更猛;它只是单纯地造出*更多*的涡旋,每一个都和上一个一模一样,排成一个齐整的格子,像箱子里码放的苹果。
这些叫做[[quantized-vortex|量子化涡旋]]——“量子化”意思是它们只以整份、不可分割的单位出现,绝无零头,就像钱只以整枚硬币出现一样。每一个,都恰是一枚硬币那么多的旋转。原因可以一直追溯回上一篇向导讲的[[macroscopic-quantum-coherence|宏观量子相干]]:那道唯一的共享之波,绕着任何一个回路走一圈,都必须平滑地与自己重新接上,而这条要求只准许整数个环流单位。半个涡旋会把波撕裂;大自然不允许。
靠热量喷涌的喷泉
现在来看第二桩奇景,也是整个物理学里最漂亮的演示之一。取一根玻璃管,底部塞满细粉末,把它浸进一缸超流氦里,再轻轻地给管内的液体加点热——比方说,拿一点光照一照它。氦的反应,是从管子顶端喷射而出,化作一道能蹿起几十厘米高的喷泉。
给液体加热,反倒让它往上喷,这听起来是反的——热量通常只会让东西膨胀或沸腾,可不会喷泉。[[two-fluid-model|二流体模型]]把它解释得漂亮极了。记住,超流部分不携带热量,而正常部分把热量全揽了下来。那些细粉末,让无摩擦的超流部分轻松穿过,却挡住黏糊糊的正常部分。给管子加热,会把一部分超流体转化成正常流体,于是管内的超流浓度就降了下来。管外的超流体随即从粉末间涌进来,想把浓度抹平——可它无处可去,便从顶端溢出,化作喷泉。
这就是[[superfluid-fountain-effect|超流喷泉效应]]。它给我们的启示是:在超流体里,热量与流动以一种在日常液体中绝无对应的方式纠缠在一起——单单一个温度差,本身就能把流体泵起来,根本不需要任何机械泵。
超流体的第二种风味
迄今为止讲的,都是普通的氦,也就是[[superfluid-helium-4|氦-4]],它的原子是玻色子,所以以最直截了当的方式凝聚。可氦还有一种更稀有、更轻的同位素——氦-3,它的原子是费米子,也就是那些拒绝共享状态的独行客。按前几篇向导的规矩,这些原子本该压根没法凝聚才对。
然而,再冷上一千倍——冷到比绝对零度只高出千分之几度——氦-3*竟然也*变成了超流体。诀窍在于:它的原子两两成对,而一对费米子合在一起,行为就像单个玻色子,于是便能凝聚了。这就是[[superfluid-helium-3|超流氦-3]],它甚至比它的表亲更加丰富多彩:那些对子能以好几种不同的样式排列,赋予它多个性情各异的超流相。这跟电子配对造出超导体的诀窍一模一样——又一次提醒我们,这些无摩擦的状态彼此之间渊源极深。