神奇的超流體現象，它的背後是什麼原理

想象一下，你給自己泡了一杯咖啡，攪拌並讓它靜置五分鐘，然後發現它還在旋轉。接着想象一下，你拿起那個杯子，咖啡直接從底部掉了下來，同時也開始從杯子側面往上爬並流了出來。這聽起來像是天方夜譚，但如果你的杯子裝的是冷卻到-270℃左右的氦，你就會看到以上所描述的現象。因爲在那個溫度下，氦變成了一種稱爲超流體的奇怪物質。這是一個奇異的超冷現象世界的一部分，這些現象爲理論和實驗物理學家贏得了數個諾貝爾獎。

簡介

要理解超流體的工作原理，瞭解一點粒子的行爲會有所幫助。多虧了量子力學，像原子這樣的東西不可能會有連續的能量。相反，它們的能量是離散的。也就是說，它們可以在不同能級之間跳躍，但不能處在能級之間。但在日常生活中，我們並沒有注意到這些，因爲有太多粒子的隨機運動，以至於其他效應超過了量子效應。

但是，當我們把溫度降下來時，情況開始變得有些不一樣了。在低溫下，大多數東西都會凍結成固體。但是氦在元素中是獨一無二的，因爲它基本上不會凍結。在大氣壓下，它到接近絕對零度時都還保持着液態。但是，在到達絕對零度之前，事情就變得很奇怪了。

當溫度下降到-270℃的範圍，液氦就好像忘記了物質應該如何工作，發生這種情況是因爲原子在冷卻時會落入越來越低的能量狀態。根據量子力學，當更多的氦原子處於相同能級時，它們開始表現得一致。因此它們不會相互碰撞，甚至不會像普通液體那樣朝不同得方向移動，所有的一切混亂都被超流體的完美協調統一所取代。

因爲它們都一起移動，所以沒有原子的相互碰撞和滑落，這意味着它們之間的摩擦力幾乎爲零。所以當你攪拌它們並靜置一段時間，你會發現它們基本不會停止旋轉。這種超流體還會滑過任何的東西，包括杯子底部的微小裂紋。此外，所有液體都會傾向於爬上它們所在的容器的壁，但通常情況下，壁和液體之間的摩擦會抵消這種影響。但超流體並非如此，它會爬上杯壁並向外溢出。

原理

這些效應並不適用於任何氦原子，它適用於氦-4。它有兩個中子、兩個質子和兩個電子，這種配置使它的自旋爲整數，因此它的行爲就像是一種稱爲玻色子的粒子。玻色子不用遵循泡利不相容原理，兩個相同的粒子可以佔據相同的能級。只有這類型的原子才能一起掉入那種低能狀態，成爲超流體。