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，「穿牆術」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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