「穿牆術」是否真的存在?「超固體」實驗取得重大突破(圖)

發表:2020-08-16 07:00
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古德凱德研究小組利用超聲波轟擊固態氦-4晶體。
古德凱德研究小組利用超聲波轟擊固態氦-4晶體。(示意圖/圖片來源:Adobe Stock)

據《新科學家》報導,「穿牆」迷住了很多科學家,他們一直在尋找固體穿越固體的方法。現在,他們終於取得了一個重大突破。

美國科學家發現「超固體

我們真的能夠穿牆而過?一個固體是否能以某種方式穿越另一個固體而自由移動?這聽起來似乎是天方夜譚,然而,美國賓夕法尼亞州立大學的研究人員摩西·陳不但認為可以,而且還宣稱掌握了這方面的證據。

他們的研究小組已創造出世界第一種「超固體」——像幽靈一樣互相穿過對方的晶體。這一發現與我們日常經驗完全矛盾:從來沒有人看到過茶杯穿過茶托。由於固體的原子排列方式井然有序,使得固體本身十分堅硬。與液體和氣體不同,晶體內的原子排列是固定的。儘管由於熱能,它們或許會稍微振動,但在一般情況下,這不足以令原子移動,造成它們在彼此上面流動。然而,物理學家長期以來就預測這條規則有可能被打破。

1969年,俄羅斯理論家亞歷山大·安德烈夫和伊爾亞·利夫什茲在研究固體屬性時,就發現可以令固體流動的方式。在某些晶體中,原子之間的聯繫十分微弱,你甚至可以像海綿一樣擠壓固體。這種微弱的聯繫賦予了晶體另一種屬性。在接近絕對零度時,晶體的原子僅僅具備產生振動的熱能。但對於一些晶體而言,即使這種輕微的活動也足以令原子分裂。這會令晶體的格狀結構充滿稱為「零點空位」的間隙。這些空位是流動的,即使在絕對零度時也是如此。

晶體間隙也可以具有某種物理屬性,這聽起來似乎令人費解。但物理學家認為,這些空位像原子一樣具有能量和質量。它們甚至能在晶體周圍活動。安德烈夫和利夫什茲甚至預測到了更奇怪的行為:空位能同步穿過固體,就如同固體「流經」另一固體一樣。

發現「超固體」的線索

之所以會出現這種情況,是因為量子力學的特殊本性。量子論稱,接近絕對零度時,原子組能夠失去其特性,並開始像一個巨大的原子一樣行動。這些原子不是在氣體或液體中任意跳動,相反,它們會濃縮為一種量子狀態,並開始步伐一致地活動。這一進程的細節取決於一種名為「自旋」粒子的基本屬性。根據其自旋的性質,原子分成玻色子和費密子。量子力學表明,兩個同樣的費密子不能分享同一種量子態,因此,它們不能作為一個實體運動。但玻色子不會面臨這種限制。當函數開始重疊時,它們就能以同一能態擠在一起。此時,它們開始像巨大原子一樣運動。至少從理論上講,這意味著由玻色子構成的固體可以相互「穿行」。

在許多固體身上,這種情況並不會發生,因為就像人們看電影時固定地坐在自己的位置上一樣,原子也被「鎖定」在其各自的位置上。但安德烈夫和利夫什茲認為,聯繫微弱的晶體中的原子擁有更多的自由。他們意識到這種情況同樣適用於空位。因此,它們也能夠自由移動,並濃縮成一個巨大的空位。像幽靈穿牆而過一樣,他們預測這種由空位構成的「超固體」也能輕鬆穿過晶體的其他部分。

然而,自安德烈夫和利夫什茲做出他們的預測以來,許多研究人員也曾追尋過超固體,最終都無功而返。但科學發現了超固體確實存在的一些線索。20世紀90年代末,加州大學聖迭戈分校的約翰·古德凱德和他的同事在對由氦的同位素氦-3和氦-4構成的晶體進行實驗時,發現了奇怪的東西。

實驗結果令人震驚

生成氦晶體並不容易,你不僅需要把液態氦-4轉換為固體的冷凍溫度,而且還必須將液態氦-4加壓到至少25個標準大氣壓。古德凱德研究小組利用超聲波轟擊固態氦-4晶體。當研究人員將晶體冷卻到接近絕對零度的溫度時,他們注意到超聲波加快速度。這可能與超固體的構成有關。當聲音穿過固體時,會引起原子振動。如果晶體的一部分變成超固體,它將與晶體的剩餘部分分離,使超聲波傳播的速度加快。

受該研究結果的鼓舞,賓夕法尼亞州立大學的摩西·陳和他的學生金永順決定在2001年親自實驗。他們將一些固態氦-4放在一個桶裡,懸掛在繩上,先是讓其以順時針方向旋轉,然後在冷凍過程中,以每秒1000次的速度逆時針旋轉。

該實驗能讓研究人員瞭解,固態氦-4在非常低的溫度下快速振動時出現的狀況。實際上,上述「桶」比縫紉用的頂針還要小,而且是在桿上面旋轉,而不是在繩上。

該實驗最終獲得了成功。當實驗者將晶體的溫度冷卻至2 K以下時,他們開始認真監控小桶的振動速率。這種振動的頻率受桿的硬度和小桶的慣性的控制,而小桶的慣性又由桶內氦的質量決定。在溫度降至約0.2 K時,小桶開始振動得更加快速,其中一些氦似乎有從桶裡溢出來的架勢。

摩西·陳和金永順得出的結論是:固體中約有1%的氦晶體保持靜止,而其餘99%正常轉動。晶體中99%的部分看上去似乎正從保持靜止的1%氦晶體中穿過。結果的確令人非常震驚,但他們必須保證這些現象不是設計裝置缺陷的結果。鑒於此,他們再次用氦-3代替氦-4進行了實驗,因為氦-3的原子是費密子,不應形成超固體。如果他們發現氦-3對結果沒有產生任何影響,他們就會據此確信上次的研究結果是正確的。

理論家提出質疑

研究結果再次與研究人員預測的一樣。但即便如此,陳和金還不能完全確信所看到的現象。他們在把實驗結果刊登在《自然》雜誌上時,起了一個相當模糊的題目:「或許發現超固態氦」。在其他物理學家對該結果表示懷疑時,陳和金又進行了多次實驗。他們把後來的研究結果刊登在《科學》雜誌上,不過這次他們在題目中去掉了「或許」二字。

陳認為,其研究結果最為具有邏輯性的解釋是,1%的原子或空位濃縮成一個單位,這個單位後來受到量子力學規則的影響,而剩餘的99%則繼續生活在非量子物理世界裡。然而,陳的實驗結果還是引發了巨大爭議。與此同時,理論家也對陳的研究結果提出質疑。馬薩諸塞大學理論家尼古拉·普羅科夫及其同事鮑里斯·斯維斯圖諾夫認為,陳所看到的只是無數微小晶體在大量液態氦中滑行的現象,而不是超固體穿過一塊晶體。

伊利諾伊大學理論家戴維·塞普利認為,空位不可能在陳實驗的高壓環境中出現。他表示,不斷升高的壓力將會把空位從晶體中「擠壓」出來。

2003年物理學諾貝爾獎得主托尼·萊格特則認為,超固體行為甚至可能不涉及空位。但陳確信,超固體行為涉及空位和其他類型的晶體缺陷,並把這一問題拋給理論家們,這是有意義的。



責任編輯:岳爾

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