超流宇宙中没有速度限制,现在科学家知道原因了
近日,在寒冷、稠密的氦-3超流体介质中,科学家们最近有了一个意外的发现:穿过介质的异物可以超过临界速度限制而不破坏脆弱的超流体本身。
超流体是一种流体,它具有零粘度和零摩擦,因此流动时不会损失动能。当氦原子从一个高密度的玻色子中被冷却成一个原子团时,它就可以很容易地形成一个超原子团。不过,这些"超级原子"只是一种超流体。另一个是基于玻色子的兄弟费米子。费米子是包括像电子和夸克这样的原子构造块的粒子。当冷却到某个温度以下时,费米子以库珀对的形式结合在一起,每对由两个费米子组成,它们共同构成一个复合玻色子。这些库珀对的行为完全类似玻色子,因此可以形成超流体。
由于这与我们对超流性的理解相悖,它提出了一个相当大的谜团——但是现在,通过重现和研究这种现象,物理学家已经弄清楚了它是如何发生的过程。超流体中的粒子粘附在物体上,屏蔽了它与大块超流体的相互作用,从而防止了超流体的破裂。超流氦-3虽然是一种相对稠密的液体,但对于一根穿过它的棒来说,它感觉像是真空,根本没有阻力。
研究小组用氦-3制造了他们的费米子超流,氦-3是一种稀有的氦同位素,缺少一个中子。当冷却到绝对零度以上万分之一度(0.0001开尔文,或-273.15摄氏度/-459.67华氏度)时,氦-3形成了库珀对。这些超流体相当脆弱,如果一个物体以超过一定的速度(称为临界朗道速度)穿过它,库珀对就会破裂。
然而,兰开斯特大学(Lancaster University)的研究人员在2016年的一篇论文中发现,在不破坏氦-3超流体的情况下,一根金属棒可以超过这个速度而不会破坏对。在随后的实验中,他们测量了使线材穿过超流体所需的力。当金属丝开始移动时,他们测量到了一个非常小的力,但是一旦它移动了,继续运动所需的力是零——只要轻轻推一下它,它就走了。
研究小组得出的结论是,最初的力来自于库珀对的移动,以适应这种运动,对线材施加小的启动力。但是,在那之后,电线可以自由移动,基本上是用一层铜线对来伪装的。
兰开斯特大学的物理学家Ash Jennings说:"通过改变棒的运动方向,我们可以得出结论,即使在棒的速度非常高的情况下,棒也会被覆盖在其上的束缚粒子所掩盖,而不受超流体的影响。"
这一新发现可能有一些有趣的含义。费米子超流体可以用来制造超导体,而超导体又作为量子计算机的一个重要组成部分正在研究中。更多地了解超流体的行为方式和原因,可能只会让我们更接近这个目标。
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