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“穿墙术”是否真的存在?“超固体”实验取得重大突破

古德凯德研究小组利用超声波轰击固态氦-4晶体。

据报导,“穿墙术”迷住了很多科学家,他们一直在寻找固体穿越固体的方法。现在,他们终于取得了一个重大突破。

美国科学家发现“超固体”

我们真的能够穿墙而过?一个固体是否能以某种方式穿越另一个固体而自由移动?这听起来似乎是天方夜谭,然而,美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员摩西·陈不但认为可以,而且还宣称掌握了这方面的证据。

他们的研究小组已创造出世界第一种“超固体”——像幽灵一样互相穿过对方的晶体。这一发现与我们日常经验完全矛盾:从来没有人看到过茶杯穿过茶托。由于固体的原子排列方式井然有序,使得固体本身十分坚硬。与液体和气体不同,晶体内的原子排列是固定的。尽管由于热能,它们或许会稍微振动,但在一般情况下,这不足以令原子移动,造成它们在彼此上面流动。然而,物理学家长期以来就预测这条规则有可能被打破。

1969年,俄罗斯理论家亚历山大·安德烈夫和伊尔亚·利夫什兹在研究固体属性时,就发现可以令固体流动的方式。在某些晶体中,原子之间的联系十分微弱,你甚至可以像海绵一样挤压固体。这种微弱的联系赋予了晶体另一种属性。在接近绝对零度时,晶体的原子仅仅具备产生振动的热能。但对于一些晶体而言,即使这种轻微的活动也足以令原子分裂。这会令晶体的格状结构充满称为“零点空位”的间隙。这些空位是流动的,即使在绝对零度时也是如此。

晶体间隙也可以具有某种物理属性,这听起来似乎令人费解。但物理学家认为,这些空位像原子一样具有能量和质量。它们甚至能在晶体周围活动。安德烈夫和利夫什兹甚至预测到了更奇怪的行为:空位能同步穿过固体,就如同固体“流经”另一固体一样。

发现“超固体”的线索

之所以会出现这种情况,是因为量子力学的特殊本性。量子论称,接近绝对零度时,原子组能够失去其特性,并开始像一个巨大的原子一样行动。这些原子不是在气体或液体中任意跳动,相反,它们会浓缩为一种量子状态,并开始步伐一致地活动。这一进程的细节取决于一种名为“自旋”粒子的基本属性。根据其自旋的性质,原子分成玻色子和费密子。量子力学表明,两个同样的费密子不能分享同一种量子态,因此,它们不能作为一个实体运动。但玻色子不会面临这种限制。当函数开始重叠时,它们就能以同一能态挤在一起。此时,它们开始像巨大原子一样运动。至少从理论上讲,这意味着由玻色子构成的固体可以相互“穿行”。

在许多固体身上,这种情况并不会发生,因为就像人们看电影时固定地坐在自己的位置上一样,原子也被“锁定”在其各自的位置上。但安德烈夫和利夫什兹认为,联系微弱的晶体中的原子拥有更多的自由。他们意识到这种情况同样适用于空位。因此,它们也能够自由移动,并浓缩成一个巨大的空位。像幽灵穿墙而过一样,他们预测这种由空位构成的“超固体”也能轻松穿过晶体的其他部分。

然而,自安德烈夫和利夫什兹做出他们的预测以来,许多研究人员也曾追寻过超固体,最终都无功而返。但科学发现了超固体确实存在的一些线索。20世纪90年代末,加州大学圣迭戈分校的约翰·古德凯德和他的同事在对由氦的同位素氦-3和氦-4构成的晶体进行实验时,发现了奇怪的东西。

实验结果令人震惊

生成氦晶体并不容易,你不仅需要把液态氦-4转换为固体的冷冻温度,而且还必须将液态氦-4加压到至少25个标准大气压。古德凯德研究小组利用超声波轰击固态氦-4晶体。当研究人员将晶体冷却到接近绝对零度的温度时,他们注意到超声波加快速度。这可能与超固体的构成有关。当声音穿过固体时,会引起原子振动。如果晶体的一部分变成超固体,它将与晶体的剩余部分分离,使超声波传播的速度加快。

受该研究结果的鼓舞,宾夕法尼亚州立大学的摩西·陈和他的学生金永顺决定在2001年亲自实验。他们将一些固态氦-4放在一个桶里,悬挂在绳上,先是让其以顺时针方向旋转,然后在冷冻过程中,以每秒1000次的速度逆时针旋转。

该实验能让研究人员了解,固态氦-4在非常低的温度下快速振动时出现的状况。实际上,上述“桶”比缝纫用的顶针还要小,而且是在杆上面旋转,而不是在绳上。

该实验最终获得了成功。当实验者将晶体的温度冷却至2 K以下时,他们开始认真监控小桶的振动速率。这种振动的频率受杆的硬度和小桶的惯性的控制,而小桶的惯性又由桶内氦的质量决定。在温度降至约0.2 K时,小桶开始振动得更加快速,其中一些氦似乎有从桶里溢出来的架势。

摩西·陈和金永顺得出的结论是:固体中约有1%的氦晶体保持静止,而其余99%正常转动。晶体中99%的部分看上去似乎正从保持静止的1%氦晶体中穿过。结果的确令人非常震惊,但他们必须保证这些现象不是设计装置缺陷的结果。鉴于此,他们再次用氦-3代替氦-4进行了实验,因为氦-3的原子是费密子,不应形成超固体。如果他们发现氦-3对结果没有产生任何影响,他们就会据此确信上次的研究结果是正确的。

理论家提出质疑

研究结果再次与研究人员预测的一样。但即便如此,陈和金还不能完全确信所看到的现象。他们在把实验结果刊登在《自然》杂志上时,起了一个相当模糊的题目:“或许发现超固态氦”。在其他物理学家对该结果表示怀疑时,陈和金又进行了多次实验。他们把后来的研究结果刊登在《科学》杂志上,不过这次他们在题目中去掉了“或许”二字。

陈认为,其研究结果最为具有逻辑性的解释是,1%的原子或空位浓缩成一个单位,这个单位后来受到量子力学规则的影响,而剩余的99%则继续生活在非量子物理世界里。然而,陈的实验结果还是引发了巨大争议。与此同时,理论家也对陈的研究结果提出质疑。马萨诸塞大学理论家尼古拉·普罗科夫及其同事鲍里斯·斯维斯图诺夫认为,陈所看到的只是无数微小晶体在大量液态氦中滑行的现象,而不是超固体穿过一块晶体。

伊利诺伊大学理论家戴维·塞普利认为,空位不可能在陈实验的高压环境中出现。他表示,不断升高的压力将会把空位从晶体中“挤压”出来。

2003年物理学诺贝尔奖得主托尼·莱格特则认为,超固体行为甚至可能不涉及空位。但陈确信,超固体行为涉及空位和其他类型的晶体缺陷,并把这一问题抛给理论家们,这是有意义的。

责任编辑: 夏雨荷   来源:《新科学家》 转载请注明作者、出处並保持完整。

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