超流量子世界的“冰封舞者”

陈子昂 刘玉柱

 普通流体（例如水）因为黏性，无法穿透玻璃杯中、肉眼不可见的毛细孔。但是，在低于2.17开尔文（零下270.98摄氏度）时，液氦会从普通流体变成超流体，可以顺着玻璃杯壁“爬”出去，或者从无缝隙的玻璃杯底部“流”出去（绘图/骆玫）

走进神奇的低温世界

“床前明月光，疑是地上霜”。1200多年前，当李白独自在异乡的房间里踱步时，洒进屋子里的月光应该足够清冷，让这位大诗人把平日里对月光如水的赞叹变成了如霜的哀怨。而这句关于相态变化的描写，也留在了人们的记忆中。

那么，什么是“相态”呢？

在我们所处的世界中，固体、液体和气体是3种再熟悉不过的相态。然而，如果世界上的物质还存在一种叫作“超流体”的相态，你是否会大吃一惊呢？

我们知道，液体流动的快慢与其黏性有关——越黏稠的液体，流动起来就越困难。例如，对比自来水和蜂蜜就可以看出来，蜂蜜黏稠，所以流动得比自来水慢。但是，有些物质在低温条件下，却具有超常的流动能力，这就是超流体。

发现超流的曲折之路

要探究超流体的发现历史，就让我们穿越时间，回到100多年前。

1908年，荷兰科学家卡莫林·昂内斯通过液化氦气，将人造低温的极限下探到了4.2开尔文（零下268.95摄氏度）。人造低温让研究人员有了更多神奇的发现——当液氦处于大约2.2开尔文（零下270.95摄氏度）时，它的比热容（表示物体吸收和释放热量的能力）曲线是不连续的。也就是说，不同温度下的液氦吸收热量的能力有很大差异。奇怪的是，液氦仍旧保持着液体的形态，而没有发生形态上的变化。

要知道，同一种物质在同一形态下，比热容应该是一个不变的定值。只有物质的形态发生改变，比热容才会改变。例如，液态水的比热容是4.2×10?焦/（千克·摄氏度），是一个不变的定值；当液态水变成冰时，冰的比热容是2.1×10?焦/（千克·摄氏度），也是一个不变的定值。

对比自来水和蜂蜜就可以看出，越黏稠的液体，流动起来越困难

科学家提出，在低于2.17开尔文（零下270.98摄氏度）时，液氦发生了相变（如果一样东西由一种物质均匀组成，拥有均匀的物理与化学性质，则称这种东西只具有一种相。当物质从一种相态转变为另一种相态时，就可以说这种物质发生了相变），即在低于2.17开尔文（零下270.98摄氏度）时，看似波澜不惊、表面毫无变化的液氦，实际上已经拥有了完全不同的物理、化学性质，成了另一个相。科学家把变化前的液氦称为氦Ⅰ，而把变化后的液氦称为氦Ⅱ。

科学发现从来都不是一蹴而就的。发现液氦的神奇性质的许多年后，经过无数次尝试，苏联科学家卡皮查在一次实验中让氦Ⅱ流过两块间距极小的平行玻璃板。此时，本该由于黏性而流动缓慢、直至停止的氦Ⅱ仿佛不受任何阻力，而且，两片玻璃板间的缝隙无论多小，氦Ⅱ都能一路畅行无阻，这就是超流现象。

超流的“超能力”

超流体具有许多不可思议的性质：

“超能力”之一：超流体似乎不存在任何黏性，能够从直径为1微米（1厘米的1/10000）的小孔中倾泻而出。

“超能力”之二：拥有极高的热导率，导热性从氦Ⅰ到氦Ⅱ增加了100万倍，约为室温下导热性较好的金属铜的800倍。这是因为超流体热传导速度极快，使其内部几乎不存在温差。

 超流体——氦Ⅱ（左图），几乎不存在黏性，能轻松流过极小的缝隙；水（右图）却不行 （绘图/骆玫）

“超能力”之三：存在“第二声波”现象。如图所示，常见的热传导是扩散过程，热流的速率与温差成正比；而超流体的热传导是通过波的形式，以固定的速度（在1.6开尔文时约为20米/秒）均匀地将热量传递出去。

“第二声波”是苏联科学家朗道取的名字。因为和声波一样，温度会以波的形式传播、衰减，故得此名。

在研究超流体性质的过程中，研究人员将一副螺旋桨固定在装满氦Ⅱ的容器中，并设法让氦Ⅱ流动起来。这时，螺旋桨竟缓缓地开始旋转。要知道，水这类普通的液体在流动时才会因其黏性而产生摩擦力，使螺旋桨转动。并不具备黏性的超流体是怎么做到的呢？

于是，苏联物理学家朗道提出了二流体模型来解释这一悖论。二流体模型认为，液氦超流体中含有两种成分，一种是常规流体成分，它就像正常液体一样，具有黏性和熵（系统中无序或无效能状态的度量，详见《知识就是力量》2022年11月刊），可以让螺旋桨旋转起来；另一种是超流成分，无黏性且熵为零，也就是说，不会有任何摩擦力，也不携带任何热量！

 日常生活中，热流的速率与温差成正比

1906年，德国物理学家能斯特在研究低温条件下物质的变化时，把热力学的原理应用到低温现象和化学反应过程中。他发现了一个新的规律，这条规律被德国物理学家普朗克补充并改述为：“当绝对温度趋于零时，固体和液体的熵也趋于零。”即在绝对零度下，物质的所有分子都会停止运动、停止释放能量。也就是说，快要达到绝对零度的液氦的熵也几乎为零！这就是著名的热力学第三定律的重要内容。

直至二流体模型的提出，人们才从宏观上很好地解释了液氦超流体的诸多性质。之后多个模型的提出，更是大大扩展了人类对超流体的认知。

“畅游”在科学前沿的超流

超流体在很多高精尖的科技领域具有重要的应用价值。

研制量子计算机是当前世界科技前沿的最大挑战之一，它是遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。

例如，我们可以将27分解成3×9，将14分解成2×7……两位数的分解看起来并不复杂，但是当把27或14换成一个5000位的数字时，普通计算机需要用50亿年的时间，而量子计算机只需要2分钟！

我国已研制出祖冲之二号、九章三号等量子计算原型机，在这一领域处于世界第一方阵。

量子计算机的电路对环境温度极为敏感，需要在极低温条件下运行，这让量子计算机的重要配套设备——稀释制冷机有了用武之地。它以超流体液氦为主要材料，能够为量子计算机提供接近绝对零度的环境。由于几乎没有黏性，超流体液氦在散热装置内能够实现自循环，制冷效果好、能耗低。

超流因其在低温物理领域神奇的特性，依旧处在物理学研究的热点与前沿，吸引着一批又一批科研人员投入对超流现象与性质的研究。或许在不远的将来，当超流背后的秘密被完全揭开时，一个崭新的世界将出现在我们眼前！

（责任编辑 / 高琳  美術编辑 / 周游）