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重要发现:为什么在超流体世界里没有速度限制

时间:2023-07-02 06:52:01

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重要发现:为什么在超流体世界里没有速度限制

我们通常所遇到的物质有三种:气体、液体、固体。另外,有一种物质名叫“超流体”(Superfluid)。

为什么叫它超流体,是因为它超乎寻常地流动、完全缺乏黏性。如果将超流体放置于环状的容器中,由于没有摩擦力,它可以永无止境地流动。

超流体能以零阻力通过微管,甚至能从碗中向上“滴”出而逃逸。处于超流相的液氦,会在碗身内面向上缓慢攀爬,攀越过杯口,然后在杯身外面向下缓慢滑落,集结在一起,形成一滴液氦珠,最后滴落下。这样,液氦会一滴一滴地滴落,直到杯子完全流空为止,如下面视频所示。

超流体是被彼得·卡皮查、约翰·艾伦和冬·麦色纳在1937年发现。有关超流体的研究被称为量子流体力学。当量子液体温度低于某临界转变温度会变为超流体。比如氦的同位素,氦-3,一种稀有的氦原子,其中缺少一个中子,在极低的温度下变为超流体,从而实现非凡的性能,例如不存在摩擦。由于不存在摩擦力,科学家推断,在超流体世界里没有速度限制。

现在,兰开斯特大学(Lancaster University)的物理学家,在过去研究的基础上,终于确定了为何穿过超流体的物体没有速度限制的原因。

过去认为,从物体中流过超流体的速度,从根本上限制在一个称为“朗道临界速度”上,超过这个速度限制将破坏超流体。此前在该研究团队所进行的实验发现,这不是严格的规则,物体可以更快的速度移动而不会破坏脆弱的超流体状态。

朗道临界速度

前苏联著名物理学家、凝聚态物理学的奠基人、列夫·朗道(Lev Landau)对氦-4超流态的现象学和半微观理论的研究,为他赢得了1962年的诺贝尔物理学奖。他提出了“临界速度”,在该速度以上会破坏超流动性。

现在,兰开斯特大学的科学家发现了这种没有速度限制的原因:奇异的粒子粘在超流体的所有表面上,如下图所示。

奇异的粒子粘在超流体的所有表面上

研究人员将超流氦-3冷却到几乎绝对零度(0.0001K或-273.15°C)十分之一度的范围内。然后,他们以高速度将金属丝穿过超流体,并测量了移动金属丝需要多少力。除了当导线开始移动时与移动绑定的粒子相关的极小的力外,测得的力为零。

论文主要作者、Samuli Autti博士说:“超流体氦-3就像穿过一根真空棒一样,尽管它是一种相对稠密的液体,却没有阻力,一点儿也没有。这太有趣了。”

论文作者、博士生Ash Jennings补充说:“通过改变金属丝的运动方向,我们可以得出结论,即使金属丝的速度非常高,金属丝也会被覆盖在其上的结合粒子隐藏在超流体中。”

负责该项目的Dmitry Zmeev博士说,结合粒子需要四处运动才能做到这一点,这会对金属丝施加很小的力,但是一旦完成,力就会完全消失”。

该最新研究结果论文,题为:“在零温度范围内由于结合的费米子所引起的基本耗散”,已发表在《自然-通讯》上。

这一发现将会指导量子技术、以及量子计算中的应用,多个研究小组已经在致力于利用这种不寻常的物质粒子。

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网友评论
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显示评论内容(2)
  1. 弹指间,惊动了谁的心弦2023-11-21 23:41弹指间,惊动了谁的心弦[香港网友]203.31.49.78
    学习到了新知识原超流性质还有这么多神秘处呢
    顶38踩0
  2. 泪妆2023-09-11 15:16泪妆[台湾省网友]203.25.202.221
    这篇文章真很有趣解释了为什么在超流世界里没有速度限制
    顶6踩0
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