超流体是接近绝对零度的什么东西(神奇的超流体现象,它的背后是什么原理)

想象一下,你给自己泡了一杯咖啡,搅拌并让它静置五分钟,然后发现它还在旋转。接着想象一下,你拿起那个杯子,咖啡直接从底部掉了下来,同时也开始从杯子侧面往上爬并流了出来。这听起来像是天方夜谭,但如果你的杯子装的是冷却到-270℃左右的氦,你就会看到以上所描述的现象。因为在那个温度下,氦变成了一种称为超流体的奇怪物质。这是一个奇异的超冷现象世界的一部分,这些现象为理论和实验物理学家赢得了数个诺贝尔奖。

简介

要理解超流体的工作原理,了解一点粒子的行为会有所帮助。多亏了量子力学,像原子这样的东西不可能会有连续的能量。相反,它们的能量是离散的。也就是说,它们可以在不同能级之间跳跃,但不能处在能级之间。但在日流量套餐常生活中,我们并没有注意到这些,因为有太多粒子的随机运动,以至于其他效应超过了量子效应。

但是,当我们把温度降下来时,情况开始变得有些不一样了。在低温下,大多数东西都会冻结成固体。但是氦在元素中是独一无二的,因为它基本上不会冻结。在大气压下,它到接近绝对零度时都还保持着液态。但是,在到达绝对零度之前,事情就变得很奇怪了。

当温度下降到-270℃的范围,液氦就好像忘记了物质应该如何工作,发生这种情况是因为原子在冷却时会落入越来越低的能量状态。根据量子力学,当更多的氦原子处于相同能级时,它们开始表现得一致。因此它们不会相互碰撞,甚至不会像普通液体那样朝不同得方向移动,所有的一切混乱都被超流体的完美协调流量套餐统一所取代。

因为它们都一起移动,所以没有原子的相互碰撞和滑落,这意味着它们之间的摩擦力几乎为零。所以当你搅拌它们并静置一段时间,你会发现它们基本不会停止旋转。这种超流体还会滑过任何的东西,包括杯子底部的微小裂纹。此外,所有液体都会倾向于爬上它们所在的容器的壁,但通常情况下,壁和液体之间的摩擦会抵消这种影响。但超流体并非如此,它会爬上杯壁并向外溢出。

原理

这些效应并不适用于任何氦原子,它适用于氦-4。它有两个中子、两个质子和两个电子,这种配置使它的自旋为整数,因此它的行为就像是一种称为玻色子的粒子。玻色子不用遵循泡利不相容原理,两个相同的粒子可以占据相同的能级。只有这类型的原子才能一起掉入那种低能流量套餐状态,成为超流体。

氦-3在一般情况下无法做到这一点,因为它少了一个中子,这使它成为了像费米子一样的粒子,需要遵循泡利不相容原理而无法聚集在一起。然而,在特殊情况下,氦-3原子可以成对地组成“库珀对”,也可以表现得像玻色子一样,因此也可以变成超流体。但氦-3和氦-4超流体的行为不同,要让氦-3变成超流体,温度要降低到3开尔文,相比之下氦-4要2.1开尔文。


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