往上流的液体——超流体
往上流的液体——超流体
你有见过这样的“咖啡”吗：拿勺子搅拌一下，准备等放凉一些再喝，可是10分钟后再看，发现杯子里的“咖啡”还在旋转;端起杯子想看看发生了什么事，却看到里面的液滴一滴滴沿着杯壁往上“爬”，然后从杯口溢了出来……这听起来像是天方夜谭，但如果这杯“咖啡”是用-270.98℃的氦制成的，上述现象就会出现在你眼前。
冻不住的液体
液氦是现代科技领域常用的制冷剂，1908年，荷兰科学家海克·昂内斯首次将氦气降温制出了液化氦气，人们第一次发现，原来将熟悉的物体降温到极低温度，它的性质会发生翻天覆地的变化。不过，作为低温领域的先驱，昂内斯与他的液氦很快“失宠”了：因为许多金属被冷却到接近绝对零度(-273℃)时，它们表现出了更大的应用价值——电阻消失，于是大多数科学家都转向了冷却金属的道路，液氦反而乏人问津了。只有昂内斯本人还在继续研究液氦，他想知道，如果继续降温，液氦能变成固体吗?
从1908年到1926年，昂内斯将自己后半生的所有精力都投入到冻结液氦这件事上，可惜，这件事没能成功——液氦竟然无法“冻结”。昂内斯的遗憾是由他的学生威廉·凯索姆弥补的：就在昂内斯去世几个月后，凯索姆将液氦冻住了!凯索姆使用的方法是加压：将实验气压增加到标准大气压的26倍，然后再给液氦降温，当温度下降到-272.44℃时，液氦冻结了!人们这才知道，原来液氦是无法在标准大气压下固结的。
不过，虽然液氦在标准大气压下不会冻结，但不代表持续降温它不会发生相变——从液体变成固体是一种相变，但液氦到固氦的过程中，其实还存在一个相变阶段。什么叫相变?简单地理解就是物体状态改变，水具有三种状态，气态、液态和固态，每一种状态改变都可以叫相变。但除此之外，有一些物体在发生相变时，它的外表不会发生大的变化，我们只能用另一些物理性质去判断，其中一个物理性质是比热容。比热容指的是每千克物体升高或降低单位温度时吸收或放出的热量，物体处于同一种相时，其比热容是相对稳定的，而当物体发生相变时，比热容就会发生大范围波动，比如水冻成冰时，比热容就会剧烈变化。
海克·昂内斯在将液氦降温到-270.98℃时，就发现液氦的比热容发生了剧烈变动，当时他以为液氦要冻住了，非常激动，结果却是一场空欢喜。后来，凯索姆也发现了液氦比热容波动的现象，他才意识到液氦是发生了相变——这个相是介于液态和固态之间的。
留不住的超流体
既然仍然是液体，液氦的比热容为什么会变化，它到底发生了什么事?为了区分相变前后的液氦，凯索姆将其分别命名为氦Ⅰ和氦Ⅱ。可惜由于实验条件有限，凯索姆没能发现氦Ⅰ和氦Ⅱ有什么不同。1938年，苏联科学家彼得·卡皮查才发现了氦Ⅱ的神奇之处：它是一种完全没有黏性的液体，轻轻搅拌一下就会持续转圈，无论多小的缝隙都能穿过，几乎没有容器能永远盛放氦Ⅱ。
卡皮查用两块缝隙极小的平板，让氦Ⅱ从夹缝中流过。结果发现，氦Ⅱ极快地从缝隙中穿过，且平板上完全没有残留。这是一件非常奇怪的事情：我们都喝过奶茶，不管用多大的力气吸吮，你永远无法将杯子里的奶茶吸干净，吸管里也总会有液滴残留，换其他任何一种液体也一样，容器里不可能没有液体残留。但如果杯子里的液体换成氦Ⅱ，它就能很快从杯子里流出去，且毫无剩余液体!卡皮查意识到，这是因为氦Ⅱ是一种没有黏性的液体，参考没有电阻的导体，卡皮查给氦Ⅱ起了一个新名字，叫超流体。
超流体为什么这么奇怪呢?我们要用量子力学来解释了。我们知道，量子力学中，像原子这样的粒子的能量是不连续的，也就是说，每一个原子都可以在不同能级之间跳跃。在日常生活中，这种跳跃并不明显，因为一个物体由数不清的粒子组成，而粒子之间又有许多随机运动，以至于盖过了粒子的能级跃迁。
但是，当我们把温度降下来时，情况开始变得有些不一样了。当温度下降到-270.98℃时，液氦原子的能量状态越来越低，已经低到没有更多能级可供跳跃的地步。因此，大量的氦原子“拥挤”在相同的能级之中。根据量子力学，当更多的氦原子处于相同能级时，它们的行为状态将趋于一致：它们不会再相互碰撞，也不会像其他原子那样向不同方向运动，表现得就像一个统一体一样。
因为没有碰撞和摩擦，氦原子之间的摩擦力几乎为零——也就是没有黏性，所以超流体液氦就会表现出我们前文描述的奇怪现象：无论是多么微小的缝隙，超流体液氦都会快速通过且没有残留;搅拌一下然后静置一段时间，超流体液氦仍然会持续旋转;沿着容器的内壁向上“攀爬”;等等。因为毛细作用，所有液体都会倾向于爬上它们所在的容器的内壁，但通常情况下，内壁和液体之间的摩擦力会抵消这种影响，但因为超流体几乎没有摩擦力，它“向上爬”的现象会表现得格外明显。
另一种物体状态
其实，超流体液氦究竟是什么东西，早在1924年，物理学家玻色和爱因斯坦就从理论上预言过了，那就是玻色-爱因斯坦冷凝态。他们预测，当温度足够低、原子的运动速度足够慢时，它们将集聚到能量最低的同一量子态，此时，所有的原子就像一个原子一样，具有完全相同的物理性质。你看，我们的超流体液氦表现得不就与预言完全吻合吗?
因为其独特性质，超流体大有用武之地，其中一项就是制造超级冰箱。冰箱的运行依靠一种物理学效应——液体被迫通过一个狭窄的缝隙，然后迅速蒸发，这一过程可将热量从容器中带走并降低整体的温度。在这个过程中，超流体的效果尤为明显，冷却效率更高。1983年发射的世界上第一款红外空间望远镜——红外天文卫星中，科学家们用超流体液氦制造了一个类似冰箱的系统，该系统不仅能将望远镜冷却到极致，同时还避免了在制冷过程中产生振动。
超流体还有一项非常特殊的用途——捕捉光。超流体的原子物质表现出了光子一样的特性，正是利用这种特性，科学家可以将光储存起来。20世纪90年代末，美国哈佛大学的科学家琳恩·豪使用玻色-爱因斯坦凝聚体，将光速降低到了每秒1米，相当于人类步行的速度。想象一下，如果我们有这样一块“捕光玻璃”，不就能将阳光“锁定”，到了夜晚再将其释放，用作照明，这将能节约多少能源啊。除此之外，“捕光玻璃”还能有其他应用，比如将某些信息记录到光中，等到需要的时候再释放出来，这样我们的宇宙探索、宇宙通信将变得更有效率。
现在，这个构想仍然停留在科幻阶段。玻色-爱因斯坦凝聚体需要花费巨大的资金以将温度控制到绝对零度附近，且还必须有激光的配合，这比今天我们所见的任何路灯产生的费用都更昂贵。但也许未来，科学家能找到更好的方法释放超流体的潜力或者找到室温下制造超流体的方法，到那时，我们的社会必将发生天翻地覆的变化。