超流原理

                                                           晏成和

《SCIENCE》杂志，发表了全世界最前沿的125个科学问题 。《科学前沿》在转载时扔下一句话：敢来挑战么？

关于物质物理的的问题有4个，以下按原题号进行阐释、应战。

45.固体中是否有超流动性? 如果有，如何解释?

超流动性，就是超流。我们先来谈谈超流。在平常，我们习惯了水往下流。超流却是液体向上流，超流是极低温下物质表现出的有趣现象。确实是自然之谜。

【实验】随着制备低温技术的提高，所能达到的低温接近0 K。在2.19K时，液氦奇特、超常理的现象发生：液态氦沿着容器的壁向上爬，爬出瓶口向外流；在液氦中插一支很细的玻璃管，液氦立即沿着玻璃管向上喷出，形成液氦喷泉。人们把液氦这种异常的流动现象叫做超流。

超流震惊了科学界，“这怎么可能！地球的的引力消失了，”“会不会弄错？”然而可以N次重复的事实摆在那里，实在是叫科学界兴奋，又大伤脑筋。

超流是怎样形成的？温度在5K以下，所有的物体都是固态，为什么只有氦是液态？这也是当代科学界无人能回答的问题。

超流给物理学者出了一道难题，水往低处流，是亘古不变的常识，地球的引力从来都是存在的，是向下指向地心的。它怎么能向上流、往上喷？不少的学者为了破解这一难题提出了各种假说，作了非常复杂的计算，但是终难自圆其说。

有的说在极低的温度之下，形成了引力屏蔽，可是刚向上喷出的液氦立即就落了下来。有的说，在极低的温度之下，液氦的粘滞力降低（这是实验事实），使得原子之间产生斥力，推着液氦向上爬。可是液氦的粘滞力再低，也仍是存在内聚力的液体，如果原子之间产生斥力，那就会形成氦气，可向上爬着的液氦，仍然是液体。

还有更多的假说都不成立，在此，不打算批驳特殊相变等离奇的超流理论，深信大自然物质的本源是系统、连贯的。在低温虽然发生了特殊的现象，但是，氦的本质仍然是与其它物质一脉相承，同样是质子、电子构成的原子。我们还是遵循自然的提示，去深入探讨液氦超流的物理机理。

  超流虽然神秘，必须紧扣超流最关键的条件是低温，那么我们就关注低温。在此，有必要回顾之前文章关于温度的重要结论：温度高——核外电子速率高；温度低——核外电子速率降低。 依据核外电子运转速率随温度变化的重要规律、依据温度-核外电子运转速率-物质特性之间的关系，来解答超流原理。结论来源请看附后的“参考阅读”。［1］

超流的本真是核外电子的规律运动的自然效应。大自然总是遵循简单原则，超流现象的原理并不复杂，超流其实也是液氦的核外电子的规律运动的结果： 

氦是惰性元素，常温下，两个价电子绕着一个氦核呈球状包围，高速旋转，形成稳定的单原子气体。在极低的温度下，核外电子转速降低，线路也由原来的球状包围降低为立交运转，电子运转的价磁力显现出来，使原子相互吸引靠近，形成了液氦。

进一步降低温度，氦的两个价电子的运转速率继续降低，原子仅有两个电子，对称在一个平面运转，如同原子核心的一条腰带，核心两头的大部分表面得不到电子的覆盖，不能满足核心对电子的需求。而盛装液氦的容器（玻璃或金属罐）物质的原子的核外电子数较多。于是，渴求电子覆盖的氦原子就爬附到容器壁上，让得不到电子的覆盖的表面去靠近那里的运转着的电子，以满足核心各面对电子的需求。

而容器材料的核外电子都是有固定的归属的，氦核得不到容器的核外电子，自身的电子又少又慢，于是氦原子只有往容器壁上贴，拥挤着沿着容器壁向上靠，下面挤满了就向上爬附，于是就形成了液氦沿着容器壁向上爬，爬出瓶口向外流，形成了所谓的超流。

在液氦瓶中插一支很细的玻璃管，许多氦原子都立即往玻璃管壁向上靠去，液氦都沿玻璃管向上挤，向上运动的惯性，形成液氦喷泉。

温度进一步降低，液氦核外电子速率更慢，虽然粘滞性小了，但氦核对电子流过身边的需求不减，超流频频发生。

可见超流的形成，不是什么特殊相变，也不是“引力屏蔽”。超流是液氦的核外电子随温度规律运动的又一例证。超流并不是物质不受阻碍地自由移动，而是发端于核心本性，在本性驱使下靠近电子场——目的性很强的运动。

超流和超导一样，是低温条件下物质核心对核外电子需求的天然表现：超导发生在固体，核心的位置固定，只能让价电子共享；超流时液氦核的粘滞性小、核外电子又少，原子只能自己去攀附容器表面去感受物体的外电子。由此找到了超流、超导的共同原因，逻辑一致，两者形成的原理互洽。

所有物质在5 K以下都凝结成固体， 是因为在低温下，物质是的价和电子是围绕两个核心形成椭圆轨道、作长路径平面运转，电磁力指向稳定，低温下能够形成稳定固体。

只有液氦到极冷，接近0 Ｋ还是液态。这是因为：

1、在极低的温度下，氦的两个电子由立交运转进入平面运转，如果核外电子运转平面平行，伴生稳定的电磁力相互吸引，氦有可能形成固体。然而氦原子的特殊构成，使其内部电磁力却难以稳定、固体不能建立。

2、极低的温度下，氦两个电子是绕着单个原子核在平面运转，运转路径短、而且是圆轨道，所围平面小，路径内所围面积与原子高度之比不到一般物质的一半，所以不稳定，不能形成固态。

3、温度低，氦的价电子转速缓慢，所产生的电磁力弱小，所以粘滞性降低；氦原子没有内层电子，两个电子运转在腰部、上下两头没有电子覆盖，原子核就吸引相邻原子的电子从空着的面上的流过，以满足核心各面对电子的需求。所有的氦核都是这样相互吸引、相互干扰，导致所有原子的价电子运转不稳，所伴生的电磁力方向散乱。所以氦原子形成不了电磁力的方向稳定的固体，只能维持氦的液体状态。

以上三条决定了液氦，就算是达到0 开，氦元素在自然压力下仍然是液态，有着超流特性。

本文的原问题是：固体中是否有超流动性？是因为研究人员把氦-4元素制成了人工的氦固体，并且在实验中发现了超流动性存在的迹象。

2004年宾州州立大学的研究团队把氦-4置于低温和很大的压力之下，使得原子没有了移动、转身的空间，价电子之间相对平行稳定，形成了固体氦。

他们将固态氦-4样品放入容器中，使容器在极低的温度下以不同速度振荡，并且测定固氦样品的转动惯量。当转速达到 1000r/s，温度低至约 0.2 开时，他们发现固氦的转动惯量突然减小，其中有 1% 样品相对实验室参照系保持静止，而其余 99% 正常转动。

于是研究者认为这样品中这1%失去惯性氦具有“固体的超流动性”，可以在固氦中任意穿行。依据人们把液体的“任意流动”叫做超流，研究者把这能够在固体中任意穿行叫做“超固体”。这1%失去惯性氦叫什么不重要，关键是应该找到这惯性失去的原因和机制。

该团队的实验确实精细、高明，关键词：氦-4、高压、低温、高转速。

氦-4在高压、低温之下形成固体，在极低温之下氦核外电子速率很低，原子在高压失去本性地成为固体，导致氦核与核外电子的联系很弱。外部1000转/秒的高速转动，惯性力使得一部分氦核与自身的核外电子滑脱、后移，导致固氦的转动惯量突然减小。

当然，这与自身的核外电子滑脱、后移的氦核肯定不是百分之一，而是有百分之几十，只是它们在滑脱一小段后又跟上。百分之几十的氦核随机滑脱一小段后又跟上，整体效果上与1% 样品保持相对静止相当。不可能有1% 的氦原子在自己的同类飞转中保持静止。

氦-4还有一个特性——能够穿透玻璃杯。这是因为玻璃内部结构空间较大，氧化硅内有大量的价电子。低温氦-4容易与自身的核外电子滑脱，在压力之下，氦核拖着一个电子，鱼贯地钻过玻璃，然后再组合成氦原子、液氦。

2019/1/12