了不起的物理

96 無摩擦的流體和無電阻的導體:超流與超導

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超導體是一個非常熱門的物理學概念,簡稱超導。超導是一種電阻為零的導體,如果超導能夠被投入商用,以後我們用電幾乎可以告別交流電了。最早我們選擇使用交流電,是因為電流在輸送過程中,在電線上會損耗大量能量,如果用交流電的話,我們可以通過提升電壓來降低在電線上的能量損耗。如果電線的電阻為零,不再有能量損耗,那我們便自然而然地可以使用直流電了。

理解超導體,首先要理解超流體。簡單來說,超流體就是運動起來不會停下的、沒有摩擦的**。普通**,比方一桶水,拿根筷子攪一攪,水有內部摩擦,很快就會停下來。超流體如果拿筷子攪一攪,它會永遠轉下去。為什麽會出現超流這種現象呢?我們可以換一種思路來看這個物理過程。根據能量最低原理,物理係統都有主動降低自身能量的趨勢。當然對於超流這樣的多粒子係統,它也滿足統計力學的規律,傾向於降低自己的自由能。有摩擦的**之所以有摩擦,是因為通過摩擦降低自身的動能可以使整體的自由能最低。超流體沒有摩擦,其實是超流體無法通過摩擦給出動能的方式來降低自己的自由能。

超流體是在溫度極低,也就是4K(約-269.15攝氏度)左右的液氦中實現的。這種低溫環境下,液氦的量子特性會充分顯現,它大概率處在玻色-愛因斯坦凝聚的狀態下。我們知道,量子力學係統的能量等級是離散的。也就是能量等級之間,不能取任意值,而是隻有特定值的能量可以存在。現在來考慮這樣一個過程,譬如一個運動著的氦原子,它要把自己的動能給出去,從而降低整體的自由能,但如果它本身的動能就很低,不足以把其他氦原子激發到更高的能量狀態,這種情況下,氦原子的動能就給不出去了,它就永遠也不會減速。就好比你在停車場停了一晚上車,要出去的時候停車費100元,但你隻帶了50元,於是你就出不去了,隻能在停車場裏打轉。