超導，你一定不會陌生。它是指某一材料在低溫條件下，電阻為零的狀態（詳見《知識就是力量》2023年5月刊）。但超導還有一個“孿生兄弟”——超流。什么是超流？它有哪些應用？讓我們一起來了解一下吧！

走進神奇的低溫世界

“床前明月光，疑是地上霜”。1200多年前，當李白獨自在異鄉的房間里踱步時，灑進屋子里的月光應該足夠清冷，讓這位大詩人把平日里對月光如水的贊嘆變成了如霜的哀怨。而這句關于相態變化的描寫，也留在了人們的記憶中。

那么，什么是“相態”呢？

在我們所處的世界中，固體、液體和氣體是3種再熟悉不過的相態。然而，如果世界上的物質還存在一種叫作“超流體”的相態，你是否會大吃一驚呢？

我們知道，液體流動的快慢與其黏性有關——越黏稠的液體，流動起來就越困難。例如，對比自來水和蜂蜜就可以看出來，蜂蜜黏稠，所以流動得比自來水慢。但是，有些物質在低溫條件下，卻具有超常的流動能力，這就是超流體。

對比自來水和蜂蜜就可以看出，越黏稠的液體，流動起來越困難

發現超流的曲折之路

要探究超流體的發現歷史，就讓我們穿越時間，回到100多年前。

1908年，荷蘭科學家卡莫林·昂內斯通過液化氦氣，將人造低溫的極限下探到了4.2開爾文（零下268.95攝氏度）。人造低溫讓研究人員有了更多神奇的發現——當液氦處于大約2.2開爾文（零下270.95攝氏度）時，它的比熱容（表示物體吸收和釋放熱量的能力）曲線是不連續的。也就是說，不同溫度下的液氦吸收熱量的能力有很大差異。奇怪的是，液氦仍舊保持著液體的形態，而沒有發生形態上的變化。

要知道，同一種物質在同一形態下，比熱容應該是一個不變的定值。只有物質的形態發生改變，比熱容才會改變。例如，液態水的比熱容是4.2×103焦/（千克·攝氏度），是一個不變的定值；當液態水變成冰時，冰的比熱容是2.1×103焦/（千克·攝氏度），也是一個不變的定值。

科學家提出，在低于2.17開爾文（零下270.98攝氏度）時，液氦發生了相變（如果一樣東西由一種物質均勻組成，擁有均勻的物理與化學性質，則稱這種東西只具有一種相。當物質從一種相態轉變為另一種相態時，就可以說這種物質發生了相變），即在低于2.17開爾文（零下270.98攝氏度）時，看似波瀾不驚、表面毫無變化的液氦，實際上已經擁有了完全不同的物理、化學性質，成了另一個相。科學家把變化前的液氦稱為氦Ⅰ，而把變化后的液氦稱為氦Ⅱ。

科學發現從來都不是一蹴而就的。發現液氦的神奇性質的許多年后，經過無數次嘗試，蘇聯科學家卡皮查在一次實驗中讓氦Ⅱ流過兩塊間距極小的平行玻璃板。此時，本該由于黏性而流動緩慢、直至停止的氦Ⅱ仿佛不受任何阻力，而且，兩片玻璃板間的縫隙無論多小，氦Ⅱ都能一路暢行無阻，這就是超流現象。

超流體——氦Ⅱ（左圖），幾乎不存在黏性，能輕松流過極小的縫隙；水（右圖）卻不行

超流的“超能力”

超流體具有許多不可思議的性質：

“超能力”之一：超流體似乎不存在任何黏性，能夠從直徑為1微米（1厘米的1/10000）的小孔中傾瀉而出。

“超能力”之二：擁有極高的熱導率，導熱性從氦Ⅰ到氦Ⅱ增加了100萬倍，約為室溫下導熱性較好的金屬銅的800倍。這是因為超流體熱傳導速度極快，使其內部幾乎不存在溫差。

“超能力”之三：存在“第二聲波”現象。如圖所示，常見的熱傳導是擴散過程，熱流的速率與溫差成正比；而超流體的熱傳導是通過波的形式，以固定的速度（在1.6開爾文時約為20米/秒）均勻地將熱量傳遞出去。

第二聲波”現象示意圖

“第二聲波”是蘇聯科學家朗道取的名字。因為和聲波一樣，溫度會以波的形式傳播、衰減，故得此名。

“暢游”在科學前沿的超流

超流體在很多高精尖的科技領域具有重要的應用價值。

研制量子計算機是當前世界科技前沿的最大挑戰之一，它是遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。

例如，我們可以將27分解成3×9，將14分解成2×7……兩位數的分解看起來并不復雜，但是當把27或14換成一個5000位的數字時，普通計算機需要用50億年的時間，而量子計算機只需要2分鐘！

我國已研制出祖沖之二號、九章三號等量子計算原型機，在這一領域處于世界第一方陣。

祖沖之號量子計算原型機模型

量子計算機的電路對環境溫度極為敏感，需要在極低溫條件下運行，這讓量子計算機的重要配套設備——稀釋制冷機有了用武之地。它以超流體液氦為主要材料，能夠為量子計算機提供接近絕對零度的環境。由于幾乎沒有黏性，超流體液氦在散熱裝置內能夠實現自循環，制冷效果好、能耗低。

超流因其在低溫物理領域神奇的特性，依舊處在物理學研究的熱點與前沿，吸引著一批又一批科研人員投入對超流現象與性質的研究。或許在不遠的將來，當超流背后的秘密被完全揭開時，一個嶄新的世界將出現在我們眼前！

責任編輯｜高琳 岳煥琦

運營編輯｜岳煥琦
質量審核 | 趙青云 王維嘉
圖文來源 | 《知識就是力量》雜志《超流 —— 量子世界的“冰封舞者”》，撰文/陳子昂 劉玉柱（南京信息工程大學），原文有刪改，原創作品轉載請注明來源。

知識就是力量

現訂購2025年

定價360元

把一整年的知識抱回家！