科普丨神奇莫测的超流物质

发布网友发布时间：2022-10-04 08:08

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热心网友时间：2023-10-13 21:55

氦是目前人们知道的即使在绝对零度，压力不够也不能被冻结成固体的惟一天然物质，有这一性质的另一物质是经人工极化的氢气。在极低温度下，液态氦的粘性会消失，它在任何东西上流动都没有阻力，甚至可以垂直的爬上容器的壁，其传热系数比铜还好。科学家把这种没有阻力的流动叫作超流。

超流现象早就被发现了，但直到20世纪70年代，英国科学家安东尼·莱格特才发现，氦的同位素氦-3的原子对与超导体中金属的电子对结构相似。他的理论才从根本上解释了氦原子是如何互动的和如何进入超流这种有序状态的。超流现象是一种宏观范围内的量子效应。由于玻色—爱因斯坦凝聚，氦原子形成一个“抱团很紧”的集体。超流正是这种“抱团”现象的具体表现。玻色子体系不受泡利原理的*，而且，由于粒子总是自发地向低能级跃迁，玻色子有向基态能级凝聚的倾向，这是产生超流现象的基本原因。

自卡末林·昂尼斯实现氦的液化后，对物质在低温下的物理性质的研究逐步深入，相继发现了低温下的超导电性和超流现象。30年代，实验发现，当液氦（指4He）的温度降到2.17K时，液氦从原来的正常流体突然转变为具有一系列极不寻常的性质的“超流体”，这就是超流现象。

超流的液氦具有以下性质

在2.17K以下，超流的液氦具有以下性质：
第一，液氦能沿极细的毛细管（管径约0.1微米）流体而几乎不呈现任何粘滞性。这一现象最先由卡皮查于1937年观察到，称为超流性。

第二，如果用一细丝悬挂一薄盘浸于液氦中，让圆盘作扭转振动，则盘的运动将不会受到阻力。

第三，当液氦由容器A中通过多孔塞（或极细的毛细管）流出时，A内的液氦的温度升高。这一现象好如机械致热效应。其逆过程称为热机械效应，即：当升高A内的温度时，其中液氦的液面将上升，若A本身是一毛细管，则将观察到液氦从上口喷出，故也称喷泉效应。

另外，液氦还具有极好的导热性，热导率为室温下铜的800倍。

以上这些性质都表现为宏观现象，事实上却是超流液氦的量子效应。不同于宏观物体，微观粒子除了坐标空间的动量外，还有一种“内部”角动量——自旋。粗略地说，可以把它看成一个转动的小陀螺，有一个小磁矩。具有半整数自旋的粒子称为费米子，如电子、中子、质子，它们的自旋为1/2。具有整数自旋的粒子叫玻色子，如光子，p-介子，它们的自旋为1。对于费米子，由于泡利不相容原理的缘故，每个状态只允许填一个粒子。而对于玻色子，粒子在各状态上的填充数不受*。温度降到一个特定值后，越来越多的玻色子处于能量最低的，也就是动量为零的状态。这个现象叫做玻色—爱因斯坦凝聚。这里所说的凝聚不是通常说的那种气体变液体的凝聚，而是“动量凝聚”。也就是说，许多分子都转到动量为零的状态，这就使得它们在坐标空间中还是在容器中的液体，而此时液体的流动性发生了突变。液氦（4He）是玻色子，在2.17K以下的超流转变就是这种“凝聚”。

氦3的超流体现象

直到20世纪70年代末科学家才观测到氦3的超流体现象，因为使氦3出现超流体现象的温度只有氦4的千分之一。爱因斯坦预言，原子气体冷却到非常低的温度，所有原子会以最低能态凝聚，物质的这一状态就被称为玻色－爱因斯坦凝聚。玻爱凝聚态物质就是超导体和超流体，它实际是半量子态，在半量子态下，费米子象玻色子一样可以在狭小空间内大量凝聚。外地核就是玻爱凝聚态的超流体物质，内地核则由中微子构成，都是高密度、大质量形态。

超流体是超低温下具有奇特性质的理想流体，即流体内部完全没有粘滞。超流体原理的应用尚在研究之中。不过，这一领域已经曙光初现。2002年，德科学家实现铷原子气体超流体态与绝缘态可逆转换。世界科技界认为该成果将在量子计算机研究方面带来重大突破。这一成果被中国两院院士评为2002年世界十大科技进展之一。

氦3最吸引人类的就是它作为能源材料的优秀“潜质”。氘和氦3可以进行核聚变，这种聚变不产生中子，所以放射性小，而且反应过程易于控制，可算是既无污染又安全。氦3不仅可用于地面核电站，而且特别适合作为火箭和飞船的燃料，用于宇宙航行。从月球土壤中每提取一吨氦3，可得到6300吨氢、70吨氮和1600吨碳。

据专家计算，如果采用氦3核聚变发电，美国年发电总量仅需消耗25吨氦3；中国1992年的年发电总量只需8吨氦3，全世界一年有100吨氦3用于发电就够了。以目前全球电价和空间运输成本算，1吨氦3的价值约40亿美元，而且随着空间技术发展，空间运输成本肯定将大大下降。最近法国科学家宣布，2030年，利用氦3进行核聚变发电将实现商业化。据估算，如果月球上有500万吨的氦3储量，那能够支持地球万年以上的的电量！

超流现象和探月工程

从上世纪90年代开始，包括中国、以色列、日本、印度等国家在内，人类掀起了新一轮的探月*，在这次探月*中，神秘的氦3元素成为世人共同的目标。氦3就是氦的同位素，含有两个质子和一个中子。氦3原本大量存在于太阳喷射出来的高能粒子流——太阳风中。在几乎没有大气的月球上，太阳风直接落到月球表面，日积月累，在月面的沙粒、岩石中，氦3的含量越积越多，成了月壤重要的组成部分。

中国人的探月初步设想

斥资14亿花3年半建造的“嫦娥一号”于2007年10月24日傍晚飞向了太空，并且已于11月5日上午绕月飞行，中国人的探月初步设想有四个：

第一个，我们要对月球做全面的三维空间照相，把月球的图像全部照下来，这是非常重要的。尽管美国几次登月，还没有得到一个全面的图像；

第二个，用光谱分析的办法，探测月球上的多种矿物元素。月球上估计大概有100多种矿物元素，美国探测了5种，我们这一次再加9种，一共要探测14种元素；

第三个，探测月球上土壤的厚度。比如，通过测量土壤厚度，可以知道(那里)有“氦3”。月球土壤里大量存在着叫做“氦3”的一种化学元素，它是气体性质，是非常重要的聚变能源；

第四个，在飞行的过程中探测地月空间环境状况。

氦3资源

据说“嫦娥一号”抵月球约需173个小时，而在我们后面要来登月的还有日本人、印度人、以色列人等。但获取氦3无疑是一个主要目的。初步估计月球上有100万到500万吨，还有一种说法是100万到150万吨。我当然更愿意相信前者。据说全世界如果用“氦3”聚变发电，至少能用1万年。

另外氦3在军事、医学等方面也有广大的神通。
新发现的超流现象

同时具有玻色子和费米子性质的超流现象

在量子力学的世界中，经常能够看到令人惊讶的新发现。例如，最近科学家们发现了一种新的超流，它具有非常奇特的性质，不能用其他的超流来解释。这个发现是由美国华盛顿州西雅图大学的Aurel Bulgac和Joaquin E. Drut与波兰华沙技术大学的Piotr Magierski合作完成的，它为科学家们提供了一种新的同时具有费米子和玻色子性质的混合态超流。研究论文发表在3月10日的《Physical Review Letters》杂志上。

Bulgac说：“通过简单的改变温度，你就能把玻色子系统变成费米子系统。迄今为止，这个现象在其它任何系统中都不常见。”

与一般的普通超流不同