超流現(xiàn)象（安東尼·萊格特提出的物理現(xiàn)象）
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超流現(xiàn)象
安東尼·萊格特提出的物理現(xiàn)象
簡(jiǎn)介
超流
超流現(xiàn)象
超流現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)
超流現(xiàn)象早就被發(fā)現(xiàn)了，但直到20世紀(jì)70年代，英國(guó)科學(xué)家安東尼·萊格特才發(fā)現(xiàn)，氦的同位素氦-3的原子對(duì)與超導(dǎo)體中金屬的電子對(duì)結(jié)構(gòu)相似。他的理論才從根本上解釋了氦原子是如何互動(dòng)的和如何進(jìn)入超流這種有序狀態(tài)的。超流現(xiàn)象是一種宏觀范圍內(nèi)的量子效應(yīng)。由于玻色—愛(ài)因斯坦凝聚，氦原子形成一個(gè)“抱團(tuán)很緊”的集體。超流正是這種“抱團(tuán)”現(xiàn)象的具體表現(xiàn)。玻色子體系不受泡利原理的限制，而且，由于粒子總是自發(fā)地向低能級(jí)躍遷，玻色子有向基態(tài)能級(jí)凝聚的傾向，這是產(chǎn)生超流現(xiàn)象的基本原因。
意義
超流現(xiàn)象簡(jiǎn)介
自卡末林·昂尼斯實(shí)現(xiàn)氦的液化后，對(duì)物質(zhì)在低溫下的物理性質(zhì)的研究逐步深入，相繼發(fā)現(xiàn)了低溫下的超導(dǎo)電性和超流現(xiàn)象。
超流的液氦具有以下性質(zhì)
在2.17K（-270.42攝氏度）以下，超流的液氦具有以下性質(zhì)：
其次，如果用一細(xì)絲懸掛一薄盤(pán)浸于液氦中，讓圓盤(pán)作扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，則盤(pán)的運(yùn)動(dòng)將不會(huì)受到阻力。
第三，當(dāng)液氦由容器A中通過(guò)多孔塞（或極細(xì)的毛細(xì)管）流出時(shí)，A內(nèi)的液氦的溫度升高。這一現(xiàn)象好如機(jī)械致熱效應(yīng)。其逆過(guò)程稱(chēng)為熱機(jī)械效應(yīng)，即：當(dāng)升高A內(nèi)的溫度時(shí)，其中液氦的液面將上升，若A本身是一毛細(xì)管，則將觀察到液氦從上口噴出，故也稱(chēng)噴泉效應(yīng)。
以上這些性質(zhì)都表現(xiàn)為宏觀現(xiàn)象，事實(shí)上卻是超流液氦的量子效應(yīng)。不同于宏觀物體，微觀粒子除了坐標(biāo)空間的動(dòng)量外，還有一種“內(nèi)部”角動(dòng)量——自旋。粗略地說(shuō)，可以把它看成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的小陀螺，有一個(gè)小磁矩。具有半整數(shù)自旋的粒子稱(chēng)為費(fèi)米子，如電子、中子、質(zhì)子，它們的自旋為1/2。具有整數(shù)自旋的粒子叫玻色子，如光子，p-介子，它們的自旋為1。對(duì)于費(fèi)米子，由于泡利不相容原理的緣故，每個(gè)狀態(tài)只允許填一個(gè)粒子。而對(duì)于玻色子，粒子在各狀態(tài)上的填充數(shù)不受限制。溫度降到一個(gè)特定值后，越來(lái)越多的玻色子處于能量最低的，也就是動(dòng)量為零的狀態(tài)。這個(gè)現(xiàn)象叫做玻色—愛(ài)因斯坦凝聚。這里所說(shuō)的凝聚不是通常說(shuō)的那種氣體變液體的凝聚，而是“動(dòng)量凝聚”。也就是說(shuō)，許多分子都轉(zhuǎn)到動(dòng)量為零的狀態(tài)，這就使得它們?cè)谧鴺?biāo)空間中還是在容器中的液體，而此時(shí)液體的流動(dòng)性發(fā)生了突變。液氦（4He）是玻色子，在2.17K以下的超流轉(zhuǎn)變就是這種“凝聚”。
氦3的超流體現(xiàn)象
直到20世紀(jì)70年代末科學(xué)家才觀測(cè)到氦3的超流體現(xiàn)象，因?yàn)槭购?出現(xiàn)超流體現(xiàn)象的溫度只有氦4的千分之一。愛(ài)因斯坦預(yù)言，原子氣體冷卻到非常低的溫度，所有原子會(huì)以最低能態(tài)凝聚，物質(zhì)的這一狀態(tài)就被稱(chēng)為玻色－愛(ài)因斯坦凝聚。玻愛(ài)凝聚態(tài)物質(zhì)就是超導(dǎo)體和超流體，它實(shí)際是半量子態(tài)，在半量子態(tài)下，費(fèi)米子象玻色子一樣可以在狹小空間內(nèi)大量凝聚。外地核就是玻愛(ài)凝聚態(tài)的超流體物質(zhì)，內(nèi)地核則由中微子構(gòu)成，都是高密度、大質(zhì)量形態(tài)。
超流體是超低溫下具有奇特性質(zhì)的理想流體，即流體內(nèi)部完全沒(méi)有粘滯。超流體原理的應(yīng)用尚在研究之中。不過(guò)，這一領(lǐng)域已經(jīng)曙光初現(xiàn)。2002年，德科學(xué)家實(shí)現(xiàn)銣原子氣體超流體態(tài)與絕緣態(tài)可逆轉(zhuǎn)換。世界科技界認(rèn)為該成果將在量子計(jì)算機(jī)研究方面帶來(lái)重大突破。這一成果被中國(guó)兩院院士評(píng)為2002年世界十大科技進(jìn)展之一。
氦3最吸引人類(lèi)的就是它作為能源材料的優(yōu)秀“潛質(zhì)”。氘和氦3可以進(jìn)行核聚變，這種聚變不產(chǎn)生中子，所以放射性小，而且反應(yīng)過(guò)程易于控制，可算是既無(wú)污染又安全。氦3不僅可用于地面核電站，而且特別適合作為火箭和飛船的燃料，用于宇宙航行。從月球土壤中每提取一噸氦3，可得到6300噸氫、70噸氮和1600噸碳。
據(jù)專(zhuān)家計(jì)算，如果采用氦3核聚變發(fā)電，美國(guó)年發(fā)電總量?jī)H需消耗25噸氦3；中國(guó)1992年的年發(fā)電總量只需8噸氦3，全世界一年有100噸氦3用于發(fā)電就夠了。以目前全球電價(jià)和空間運(yùn)輸成本算，1噸氦3的價(jià)值約40億美元，而且隨著空間技術(shù)發(fā)展，空間運(yùn)輸成本肯定將大大下降。最近法國(guó)科學(xué)家宣布，2030年，利用氦3進(jìn)行核聚變發(fā)電將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。據(jù)估算，如果月球上有500萬(wàn)噸的氦3儲(chǔ)量，那能夠支持地球萬(wàn)年以上的的電量！
超流現(xiàn)象和探月工程
中國(guó)人的探月初步設(shè)想
斥資14億花3年半建造的“嫦娥一號(hào)”于2007年10月24日傍晚飛向了太空，并且已于11月5日上午繞月飛行，中國(guó)人的探月初步設(shè)想有四個(gè)：
第二個(gè)，用光譜分析的辦法，探測(cè)月球上的多種礦物元素。月球上估計(jì)大概有100多種礦物元素，美國(guó)探測(cè)了5種，我們這一次再加9種，一共要探測(cè)14種元素；
第三個(gè)，探測(cè)月球上土壤的厚度。比如，通過(guò)測(cè)量土壤厚度，可以知道(那里)有“氦3”。月球土壤里大量存在著叫做“氦3”的一種化學(xué)元素，它是氣體性質(zhì)，是非常重要的聚變能源；
第四個(gè)，在飛行的過(guò)程中探測(cè)地月空間環(huán)境狀況。
新發(fā)現(xiàn)的超流現(xiàn)象
同時(shí)具有玻色子和費(fèi)米子性質(zhì)的超流現(xiàn)象
在量子力學(xué)的世界中，經(jīng)常能夠看到令人驚訝的新發(fā)現(xiàn)。例如，最近科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種新的超流，它具有非常奇特的性質(zhì)，不能用其他的超流來(lái)解釋。這個(gè)發(fā)現(xiàn)是由美國(guó)華盛頓州西雅圖大學(xué)的Aurel Bulgac和Joaquin E. Drut與波蘭華沙技術(shù)大學(xué)的Piotr Magierski合作完成的，它為科學(xué)家們提供了一種新的同時(shí)具有費(fèi)米子和玻色子性質(zhì)的混合態(tài)超流。研究論文發(fā)表在3月10日的《Physical Review Letters》雜志上。
Bulgac說(shuō)：“通過(guò)簡(jiǎn)單的改變溫度，你就能把玻色子系統(tǒng)變成費(fèi)米子系統(tǒng)。迄今為止，這個(gè)現(xiàn)象在其它任何系統(tǒng)中都不常見(jiàn)。”
使這種超流值得關(guān)注的原因是，它同時(shí)具有玻色子和費(fèi)米子的性質(zhì)。而物質(zhì)一般要么是玻色子，要么是費(fèi)米子，玻色子一般都是由費(fèi)米子組成的。一旦粒子形成了，它們的性質(zhì)就很難改變。
與一般的普通超流不同
另一個(gè)值得關(guān)注的奇特現(xiàn)象是這種超流的熱力學(xué)性質(zhì)與一般的普通超流不一樣。玻色子超流中顯示的是玻色子間的相互作用，費(fèi)米子超流中則是費(fèi)米子間的相互作用。但是在這種混合系統(tǒng)中，量子粒子之間的相互作用卻非常微弱。Bulgac說(shuō)：“超流性質(zhì)實(shí)際上是一種相互作用，這種相互作用很強(qiáng)，但是它不在熱力學(xué)性質(zhì)中表現(xiàn)出來(lái)。我們知道這個(gè)新發(fā)現(xiàn)是超流，但是它的熱性質(zhì)與其他超流不同。”
與高溫超導(dǎo)體聯(lián)系起來(lái)
這種新的超流態(tài)的存在可能提供一種對(duì)物質(zhì)更好的認(rèn)識(shí)，尤其是當(dāng)把它與高溫超導(dǎo)體聯(lián)系起來(lái)時(shí)。Bulgac解釋說(shuō)：“盡管科學(xué)家們已經(jīng)能夠制造出高溫超導(dǎo)體，但是他們對(duì)高溫超導(dǎo)體的認(rèn)識(shí)并不完善。這種新的混合態(tài)超流有很多與高溫超導(dǎo)體類(lèi)似的特征，我們希望這種超流更容易理解，然后就能把類(lèi)似的想法類(lèi)推到高溫超導(dǎo)體上去。”
Bulgac和同事們認(rèn)為這種新的超流態(tài)不僅能夠揭開(kāi)超導(dǎo)體的秘密，而且對(duì)研究恒星和其他凝聚態(tài)系統(tǒng)也有幫助，另外對(duì)設(shè)計(jì)新材料也有參考價(jià)值。
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尚可名片
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