千變萬化的流體(二):超流體

剛睡醒的早晨,沖泡好一杯香氣四溢的咖啡,加入鮮奶、糖攪拌後準備享用時,卻發現咖啡似乎還在不停的旋轉,沒有停下來的跡象。仔細看,還會發現咖啡竟然開始沿著杯壁向上攀爬、越過杯口,最後在杯子底部匯聚、滴落。很明顯,以上場景純屬虛構,咖啡可不會這樣。但大自然中卻有種流體有這樣的性質,那就是:超流體。

撰文/劉詠鯤

在上一篇文章<千變萬化的流體(一):一個做了90年的實驗>中,我們介紹了流體的黏滯性。其中瀝青具有非常大的黏性,其流動十分緩慢,外在表現基本上和固體無異。黏滯性極小的一端,則存在著一種不具有任何黏滯性的流體,便是超流體。超流體具有許多神奇的性質,例如可以通過極微小的毛細管、將超流體放在容器中,它會沿著容器壁爬升,跑出容器外…等等。令人感到可惜的是,具有如此神奇性質的超流體,目前只有在極端低溫的條件下才能存在。

圖一、逃離容器的超流體。裝在容器內的超流體(液態氦),會沿著容器壁向上爬升、超過容器口,最後在容器外匯聚、滴落,直到所有的液態氦全數「逃離」。圖片來源:Alfred Leitner

●超流體是什麼?

1937年,科學家卡皮查與艾倫,在嘗試將氦-4這種元素冷卻到極低溫時,發現當溫度低於2.17 K(−270.98°C)時,氦的性質突然發生改變[1]。在以下連結的影片中呈現了氦-4冷卻的過程。

我們可以發現當氦的溫度逐漸下降,氦突然從原本如沸騰般充滿氣泡的情況,突然「安靜」了下來,那時便是氦-4的溫度達到「臨界溫度」,發生根本性質的改變(物理上稱為「相變」),從一般流體轉變為超流體。

為什麼會出現這個景象?這裡我們要介紹超流體的第一個重要性質:「超流體內部不存在溫度差」[2]。這意味著,若是我們在超流體的一端加熱,溫度可以瞬間傳遞到超流體的另一端。這個性質在一般流體中可沒那麼常見,讓我們回想一下生活中最常見的流體之一:水。當我們將一壺水,放在瓦斯爐上加熱時會看到水的熱對流現象:最靠近火源的水溫度上升最快,因為密度減小而上浮,旁邊溫度較低的冷水則往中央靠近,形成對流。對流愈是劇烈,整個流體便顯得愈不平靜。但若是我們加熱的是超流體,由於超流體的熱傳導率是無限大,因此熱源所釋放的熱量會在一瞬間傳遞到整個超流體中。由於內部沒有溫差,不會出現如熱水般的劇烈對流現象,顯得特別「安靜」。

這種特性顯示超流體分子的性質,就如同一個巨大的整體:若流體中有一個地方溫度改變,所有分子就要一起改變。這種性質來自於氦-4是一種「玻色子」。玻色子這種粒子在極低溫的情況下,會傾向於所有粒子都落回最低能量狀態(基態),這個現象被稱為玻色-愛因斯坦凝聚。蘇聯物理學家朗道透過此理論,解釋了氦-4為何在極低溫下會形成超流體。打個比喻,剛成年的少年們,每個人都有獨特的生活模式,但到成功嶺受訓時,便全部「凝聚」在一起,形成一個具有共同性質的集體。有趣的是,由於少年們都具有極為相似的性質,因此他們之間的「摩擦」(彼此之間的交互作用,也就是黏滯性)會大幅下降,形成獨特的超流體現象。

●有縮骨功的超流體?

若是我們手邊有兩種流體,想要判斷哪一種可以通過一根細管子。我們的生活經驗告訴我們,愈黏的流體,愈不容易通過。黏性愈大的流體,代表它們分子之間的作用力愈大。打個比喻的話,可以說它們更愛「群聚」,若是要通過某一個孔洞,那就要讓大部分的分子一起通過才行。例如,固體可以想像成是一種黏性無限大的流體。想要讓一個硬幣通過吸管,那吸管勢必要比硬幣大才行。那黏滯性為零的超流體,會怎麼表現呢?它們的分子之間可以說「毫無感情」,因此只要細管的孔徑允許一個分子通過,那超流體就有辦法流過這根極細的管子。

●反重力的超流體?

超流體沿著容器壁爬升又是怎麼回事呢?若是我們將水裝在一根試管中,仔細觀察,可以發現管壁的水位比中央的水位來的高,這個稱為水的「附著力」,也就是容器壁對於水分子有個吸引力。那為什麼容器壁不會將水一直拉上去,而會停在某個位置呢?一方面是地心引力,另一方面是水分子之間「扯後腿」的黏滯力。水分子想要沿著杯壁向上爬,但黏滯性就如同他不是自己一個人爬,而是攜家帶眷外掛行李,因此爬到某一個高度就爬不動了(如圖二)。

這時讀者大概可以想到超流體是怎麼回事了。如特種部隊的超流體分子,它沿著容器壁攀爬只需要自己能爬上去就可以。最終的結果,便是超流體會在容器壁形成只有一個分子厚度的薄膜,將整個容器包裹起來。延伸到容器外的流體,在地心引力影響下便會匯聚在容器底端,向下低落,形成了超流體「逃出容器」的奇特現象。

圖二、不同流體附著力影響示意圖。一般流體,如圖(a)中的水,由於黏滯力較大(如同攀岩者負重較重),只能爬升到有限的高度;超流體由於不具有黏滯性,分子間互不影響,可以如圖(b)般沿著容器壁爬升、甚至跑到容器外。

在發現超流體現象之前,沒有人預期到物質在被降至極低溫後會表現出如此截然不同的性質。隨著科技的進步,人們逐漸有能力一探各種極端條件下物質的變化,相信還有非常多有趣的現象在等著我們。

註解:
[1] 除了氦-4以外,它的同位素氦-3也在更接近絕對溫度時(0.0026K)展現出了超流體的性質。
[2] 由於這個性質和超導體的「超導體內部不存在電位差」十分相近,因此得名「超流體」。

參考資料:
[1] Superfluidity
[2] Pyotr Kapitsa Biographical
[3] The Strange, Frictionless World of Superfluids

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