神奇的超流体现象,它的背后是什么原理
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想象一下,你给自己泡了一杯咖啡,搅拌并让它静置五分钟,然后发现它还在旋转。接着想象一下,你拿起那个杯子,咖啡直接从底部掉了下来,同时也开始从杯子侧面往上爬并流了出来。这听起来像是天方夜谭,但如果你的杯子装的是冷却到-270℃左右的氦,你就会看到以上所描述的现象。因为在那个温度下,氦变成了一种称为超流体的奇怪物质。这是一个奇异的超冷现象世界的一部分,这些现象为理论和实验物理学家赢得了数个诺贝尔奖。
要理解超流体的工作原理,了解一点粒子的行为会有所帮助。多亏了量子力学,像原子这样的东西不可能会有连续的能量。相反,它们的能量是离散的。也就是说,它们可以在不同能级之间跳跃,但不能处在能级之间。但在日常生活中,我们并没有注意到这些,因为有太多粒子的随机运动,以至于其他效应超过了量子效应。 但是,当我们把温度降下来时,情况开始变得有些不一样了。在低温下,大多数东西都会冻结成固体。但是氦在元素中是独一无二的,因为它基本上不会冻结。在大气压下,它到接近绝对零度时都还保持着液态。但是,在到达绝对零度之前,事情就变得很奇怪了。 当温度下降到-270℃的范围,液氦就好像忘记了物质应该如何工作,发生这种情况是因为原子在冷却时会落入越来越低的能量状态。根据量子力学,当更多的氦原子处于相同能级时,它们开始表现得一致。因此它们不会相互碰撞,甚至不会像普通液体那样朝不同得方向移动,所有的一切混乱都被超流体的完美协调统一所取代。 |
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