茶杯中的暴风雨

在生活中，我们知道水很容易就从水龙头涌出，而蜂蜜则会从汤匙上缓缓滴下来。这是因为这两种液体有着非常不同的粘度——流体受到液体分子之间的作用而产生的阻力。粘度越低的流体，流动性越佳。这是大家都知道的。

但到了20世纪的时候，物理学家有一个惊人的发现，那就是存着粘度为零的液体——极低温的液氦。氦气是已知少数几个永远不会变成固体的元素，即使是在非常低温的条件下也会保持在液态的形式。

当温度逐渐降低到接近绝对零度的时候，大约在零下271摄氏度时，液氦的行为开始变得超现实。没有任何无盖的容器可以容纳它，因为它可以“抵抗引力”沿着容壁溢出来。在1937年，俄罗斯和美国的物理学家分别独立发现这是一种新的物质形态：超流体。

△ 在极低温的条件下，液氦会变成超液氦，并且有着惊人的性质。比如它会从容器中溢出。（图片来源：BBC4）

为了描述超流氦的“零粘度”行为，物理学家通常用一杯茶中发生的事来做类比。

试想一下，如果你用茶匙搅拌一杯茶，接着把茶匙拿走。你会看到整杯茶在旋流，但事实上在茶杯的杯壁上，茶是静止的，因为它被卡住了。由于摩擦的作用，当茶在旋转的时候，相邻的流体层间会相互抑制。这个“边界层”（boundary layer，由黏滞力引起）很快就会使茶停止流动。在下面的GIF中，可以很清晰的看到在普通流体中发生的事情：

△ 注意茶杯杯壁所发生的事情：边界层的箭头大小代表了流动速度的快慢，随着时间流逝，整杯茶最终会停止旋转。（图片来源：Newcastle University/YouTube）

到这里，都没有什么问题。但如果把茶换成超流氦，又会发生什么？由于没有摩擦和边界层，液体会一直保持旋流。至少在过去我们是这么认为的。这个现象在一个完美的光滑表面上的确是正确的。

△ 在超流体的情况中，没有边界层，流体会一直流动下去。在完美光滑的杯壁下，这的确是事实。（图片来源：Newcastle University/YouTube）

英国纽卡斯尔大学的数学家George Stagg和他的同事想要知道在现实的情况中，又会发生什么？他们利用描述超流体流动的量子力学方程（即Gross–Pitaevskii方程）来模拟杯中的超流体，意外地发现超流体的确有“涌现”的粘度，这是由它和杯壁之间的作用所引起的。现实中，这种“永恒的流动”并不存在。

△ 在茶杯的杯壁并不是完美光滑的现实情况下会发生什么？Stagg利用量子力学方程来模拟杯中的超流体。（图片来源：Newcastle University/YouTube）

我们知道，在微观尺度下，所有的表面都是不平滑的，起伏着只有几个分子高的峰谷。当这些超流体流过这些峰谷的时候，会产生“小龙卷风”，像是在茶杯边缘发生的一场暴风雨。这些旋转的龙卷风会像意大利面般纠缠在一起，使超流体的流动逐渐变慢——至少在边缘是这样。这就意味着，超流氦与普通流体之间有紧密的联系。

△ 杯壁上起伏着只有几个分子大小的峰谷（黄色），超流体经过峰谷时会产生红色小漩涡，它们像意大利面一样纠缠在一起。（图片来源：Newcastle University/YouTube）

这个行为并没有在实验中直接被观测到，理论家一般只考虑理想的光滑表面。通常，物理学家都会用理想的模型来描述事物在最简单层面的行为。但在现实世界中，材料的行为是由它们的缺陷和不完美所支配的。

对超流体的新理解可以改进它们在超流体冷却系统和精确的测量设备中的应用。

▶ 扩展阅读：《从黑洞到超流氦》

参考来源：

【1】http://www.ncl.ac.uk/press/news/2017/03/superfluids/

【2】"A superfluid boundary layer" by George Stagg, Nick Parker and Carlo Barenghi. Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.135301

【3】https://www.youtube.com/watch?v=k0tDDamBniA