【美科學家嘗試穿牆術試驗】 - 【五術堪輿學苑】

當看完影片再來閱讀下面文章吧

　　研究人員尋找能讓固體流動的“超固體”———

　　在《聊齋志異》中，我們經常能看到“穿牆術”：一個人站在一堵牆前，眼睛一閉，頭往牆上撞去，再睜開眼時，身體已經跑到牆的另一側。當然，這只是神話故事。

　　可是，近日《新科學家》報道，“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？

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。

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。盡管由於熱能它們或許會稍微振動，但通常情況下，這不足以令原子移動，造成它們在彼此上面流動。

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。

這種微弱的聯系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。

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，聯系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”也能輕松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。

　　實驗的結果令人震驚

　　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個標准大氣壓。

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，它將與晶體的剩余部分分離，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了解固態氦-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。

該實驗最終在去年獲得了成功。當實驗者將晶體的溫度冷卻至2K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0.2K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。

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，而其余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。

　　專家聲音

　　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》雜志上時，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》雜志上，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，而剩余的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裡斯·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。