超流體的發現

蕭如珀、楊信男/譯

譯自APS News,2006 年1 月

原標題：《1938 年1 月:超流體的發現》

當氦-4 降溫至低於2.2K 時,它會開始出現一些很奇特的行為———液態氦幾乎可以毫無阻力地通過細管,甚至可以爬上管壁,溢出管外。儘管液態氦早就出現奇特的現象,但是科學家還是在將氦液化過後的30 年才發現它的超流體性。

圖1 超流體液氦噴泉

1908 年, Heike Kamerlingh Onnes 首度在荷蘭的Leiden 大學將氦液化,之後很快地就發現了液態氦奇特行為的跡象。直至1924 年止,Onnes 很精密地測量了液態氦的密度,他發現當溫度持續下降,液態氦的密度在大約2. 2K 時突然達到最高。1927年,Willem Keesom 和Mieczyslaw Wolfke 下結論說,液態氦在2. 2K 時經歷狀態的改變(即相變) ,他們稱2.2K為「Λ 點」(lambda 點) ,因為它熱量與溫度

的對照圖表曲線和希臘的字母「Λ」很相似,這兩個「相」分別稱之為氦Ⅰ和氦Ⅱ。

雖然這些結果很有趣,但並沒有很讓人驚訝,因此在當時並未引起太多的關注。真正值得注意的結果是,1937 年Pyotr Kapitsa 首次在莫斯科發現氦Ⅱ是超流體,並於1938 年1 月將其發表; 同時,JohnF. Allen 和Donald Misener 也獨立地於多倫多大學發表了相同的結果。

Kapitsa 是軍事工程師的兒子,於1894 年誕生在列寧格勒附近的Kronstadt 。他在Petrograd 理工學院主修工程學,於1918 年畢業後留校擔任講師多年,並致力於磁場的研究。

圖2 Pyotr Kapitsa

1921 年, Kapitsa 的太太與兩個年幼的小孩因感冒大流行而病故,之後他搬至劍橋,在Cavendisl實驗室和Ernest Rutherford 一起做研究。Kapit sa首先研究磁場,找出產生極強磁場的各種方法。幾年後,他轉而研究低溫現象,1934 年研究出將大量氦液化的新方法,奠定了他日後繼續研究此奇特液體的基礎。

1934 年,Kapitsa 訪問俄羅斯,結束後要返回劍橋,但不知何故,斯大林下令扣押他的護照,將他拘留。在確定他無法回到劍橋後,Rutherford 幫忙將他在劍橋實驗室的大部分設備運送給他, 於是Kapitsa 就在莫斯科建立了新的研究設施———物理問題研究所。1937 年, Kapitsa 在莫斯科研究液態氦的熱傳導時,他測量其通過兩個圓盤中間的狹縫後,流入旁邊盆子的流動。

結果令人很震驚:在Λ 點之上,液態氦幾乎沒有流量,但在Λ點之下的溫度,液態氦的流量便很順暢,所以Kapitsa 畫了一個它與超導體的相似圖,1938 年1 月8 日在他發表於《自然》雜誌中的論文這樣寫著:「低於Λ點的氦進入一個特殊的狀態,可以稱之為『超流體』。」

同時,在多倫多大學的Allen 和Misener 也做了相類似的液態氦研究,但使用的方法有些不同———他們測量液態氦通過狹窄玻璃管的流量,也觀察到了其極低的黏性。他們注意到液態氦的流量幾乎與壓力無關,因此「任何已知的公式都無法從我們的數據中計算出有意義的黏性係數。」他們的論文也發表於《自然》雜誌,緊接在Kapitsa 的文章之後。

我們現在知道,氦II 可以解釋為兩種流體的混合,一部份是正常的流體,另一部份是原子已凝聚成單一量子型態的超流體。這個兩種流體的模型可用以解釋Kapitsa 和Allen 與Misener 的結果。

Kapitsa 繼續著他多年的低溫物理研究。在第二次世界大戰期間,他為蘇聯的鍊鋼廠建造了一套設施,可以生產大量的液態氧。在20 世紀40 年代,他開始研究電漿物理和核融合,1946 年,他因拒絕參加蘇聯的原子彈研究,不得斯大林的歡心,而被物理問題研究所解聘,直到斯大林過世後,才又重被聘用。

1978 年,在Kapitsa 發現超流體後30 年,他因低溫物理的研究而榮獲諾貝爾物理獎,那時他早就改研究其他的物理問題了。和他同時獲獎的是發現宇宙線的Arno Penzias 和Robert Wilson。

雖然Allen 和Misener 兩人與Kapitsa 一樣實際做了相同的發現,卻沒有獲得諾貝爾物理獎,所以一般來說,只有Kapitsa 一人得到發現超流體的榮譽。

液態氦的研究,與對超流體奇特性質的理解,對低溫物理學來說一直都很重要,直至今日,科學家還經常發現很多奇特的低溫現象,所以它仍是個很有趣的領域。

(本文摘自2007 年2 月《物理雙月刊》;蕭如珀,自由業;楊信男,台灣大學物理系; E2mail : snyang @phys. ntu. edu. tw)

來源：《現代物理知識》第19卷第 1期

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！

本站內容充實豐富，博大精深，小編精選每日熱門資訊，隨時更新，點擊「搶先收到最新資訊」瀏覽吧！

請您繼續閱讀更多來自 中科院高能所 的精彩文章: