从未听说过的超流-现代物理之谜
冷,冷,冷!哪儿最冷?
在地球上,最冷的地方在南极,曾记录到-88℃的低温。科学家却说,这只是“普冷”,普普通通的冷,还有更冷的地方,那就是实验室。
物理学家为了把气体变成液体,在实验室制造出比南极更冷的环境,冷到零下200℃。冷到这个地步,好多气体,包括氮和氧都成了液体;冷到这个地步,出现了好多怪现象,橡皮球失去了弹性,扔到地上不会弹跳,而脆得像玻璃,碎了。还有,会流动的水银变得梆梆硬,能拿来当锤子使……这还不算冷,在实验室里又制造出比-200℃更冷的环境,在-253℃的时候,氢气变成了液体。最难液化的氦气,经过艰辛的努力,终于在-269℃的时候,也成为了液体。到此为止,所有的气体都被液化了。
在这么冷的环境里,怪现象更为奇特。第一个现象是超导现象,导体的电阻消失了,电流在导体里永远流动着;磁铁不再吸铁,而悬浮在空中。超导的宣传很多,大家也许已知道了;而第二个现象——超流,却很少有人知道,也许从未听说过。
超流特别怪:液体都有流动性,而且都是向下流;可是真怪,在超低温的实验室里,液体不仅往低处流,居然也会往高处走,盛在杯子里的液体,会沿着杯子内壁向上走,又从杯子外壁流下来,好像给杯子内外壁贴上了一层薄膜。把杯子盖上盖子,也很容易“流”出来。
这是一种从未见过的液体,从未见过的怪现象,首先发现这一怪现象的人是物理学家卡皮察。卡皮察是前苏联人,1921年赴英国留学,学成后便居住在英国从事科学研究,研究工作很出色。英国皇家学会打破了200多年来从不吸收外国人为会员的规矩,破例吸收了卡皮察。
1934年,为探望母亲,卡皮察返回前苏联,再没到英国去。前苏联政府把卡皮察使用过的全套设备从英国买了回来,建立了一个物理研究所。
1938年,卡皮察发现,当温度从-269℃下降到-271℃(仅仅下降2℃)的时候,液态氦突然变成了一种从未见过的液体。他把这种液化氦叫作“氦Ⅱ”。
为了测量氦Ⅱ的粘滞性,卡皮察用一种方法强迫氦Ⅱ从两块平滑的光学玻璃片通过,两块玻璃片之间缝隙极其微小,氦Ⅱ竟以无法测定的速度通过了缝隙。后来,其他科学家也发现氦Ⅱ很容易流过直径只有几分之一微米的毛细管。氦Ⅱ的粘滞性只是水的十亿分之一,几乎等于零。
这种超流动性,就简称超流。
在-271℃和-272℃的时候,氦Ⅱ没有摩擦力,没有粘滞性,也没有表面张力,能顺畅地通过微孔——万分之一厘米的微孔。千万不能把氦Ⅱ装在没上釉的陶罐里、陶壶里,这样它会从那些看不见的微孔中流走。这时的陶罐、陶壶,不再是容器,而成了“过滤网”,大漏特漏。因此,最好把氦Ⅱ装在玻璃容器里,不过,它又会沿着容器的壁向上爬,像刚才说的,从内壁爬向外壁。
氦Ⅱ的超流现象还有奇怪的哩。一般的液体,比如一桶水,手提水桶,转动水桶,桶中的水会随着桶转动。而氦Ⅱ却不,慢慢地转动容器,氦Ⅱ不随着容器转,而是静止不动。如果液面上放一根指针,让指针指向北极星,无论怎么转动,指针始终指向北极星。这就是说,桶动它不动,而且是相对恒星静止不动。许多科学家的试验,证实了这一怪现象。
超流最奇特的现象是喷泉效应。这个实验请看参考图,图中容器中盛着一些氦Ⅱ,其中放着一个类似眼药瓶的管子,管口很细,管内装满了黑色的金刚砂粒,金刚砂很细,用棉花塞堵紧。用手电筒的光(并不强的光)照射时,黑色金刚砂吸收了热,温度稍稍提高,氦Ⅱ就涌入“眼药瓶”,从管口向高处喷射出来。这个小喷泉可喷到30厘米高,与小容器相比,可称得上壮观了。
为什么液氦的个性那么特别?
至今仍是一个没有结论的秘密。有人认为,液氦虽然是液体,但具备气体的特点。液体密度比气体大得多,原子之间的间距小,而液氦的密度并不大,很小,只是水的0.08~0.14倍,原子之间的间距大。看起来,液氦很像气体,但却又不是气体,气体会充满整个容器。
在这篇短文里,我们很难把这个问题说清。它仍然是一个需要深入研究的问题,超流现象中提出的为什么,包含着许多个不知道,仅仅用经典物理学已无法解释这些怪现象。科学家们早已看出来,是量子力学在起作用,这正是超流现象吸引人的地方,吸引着当代的科学家,必然也会吸引着未来的科学家。
说不定哪一天,通过超流现象的研究,基础理论会有所突破;说不定哪一天,超流现象会启示人们搞出个新发明来。