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。

●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。

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