Nemusíte se bát, že nealkoholický nápoj samovolně přeteče přes okraj nebo vystřelí z brčka, ze kterého se snažíte napít. To proto, že nealkoholické nápoje se vůbec nepodobají supratekutému heliu, které je ukázáno na tomto videu.
Výzkumníci již desítky let vědí, že pokud ochladíte kapalné helium jen o několik stupňů pod jeho bod varu -452 stupňů Fahrenheita (-269 stupňů Celsia), bude najednou schopné dělat věci, které jiné kapaliny nedokážou, například prokapávat skrz škvíry tenké jako molekula, šplhat po stěnách nádoby a zůstat nehybné, když se jeho nádoba roztočí.
Hélium už není pouhou kapalinou, ale supratekutou kapalinou – kapalinou, která proudí bez tření. „Když postavíte hrnek s cirkulující kapalinou a vrátíte se o 10 minut později, samozřejmě se přestane hýbat,“ říká John Beamish, experimentální fyzik z Albertské univerzity v Edmontonu. Atomy v kapalině se navzájem srazí a zpomalí se. „Ale kdybyste to udělali s héliem při nízké teplotě a vrátili se o milion let později,“ říká, „stále by se pohybovalo.“
Stejně jako spousta dalších fyzikálních experimentů, u kterých si říkáte „Cože?“, i supratekutost vychází z neintuitivních pravidel kvantové mechaniky. Ale na rozdíl od jiných kvantových věcí je podivné chování supratekutého hélia viditelné pouhým okem.
První známku podivného chování hélia pozoroval již v roce 1911 nizozemský fyzik a nositel Nobelovy ceny za fyziku za rok 1913 Heike Kamerlingh Onnes, mistr chladicí techniky, který jako první zkapalnil hélium. Onnes zjistil, že helium (odborně izotop helia 4) začíná ochotně vést teplo při teplotě nižší než -455,67 °C (-270,92 °C), známé také jako bod lambda.
Teprve v roce 1938 ruský fyzik Pjotr Kapitsa a nezávisle na něm britská dvojice John Allen a Don Misener změřili rychlost proudění helia pod touto teplotou pomocí dvojice skleněných kotoučů připojených k pístu, resp. dlouhé tenké skleněné trubice. Viskozita byla tak nízká, že Kapitsa, který za tuto práci získal Nobelovu cenu, pro ni vymyslel termín „supratekutý“ – podle termínu „supravodič“, který označuje materiál, jenž vede velmi vysoký elektrický proud bez odporu.
Klíčem k tomuto jevu je jedinečná schopnost helia zůstat kapalné až do absolutní nuly (-459,67 °C), což je teplota, při níž se atomy teoreticky přestávají pohybovat. Když se většina kapalin ochladí, mírná přitažlivost mezi atomy v kapalině nakonec začne překonávat tepelné vibrace a částice se ustálí do pravidelného uspořádání, tedy do pevné látky. Ale atomy hélia jsou tak lehké a slabě se k sobě přitahují, že i když běžné pohyby atomů utichnou, atomy se třesou pohybem v nulovém bodě, což je nepatrná hybnost daná kvantovým principem neurčitosti. Proto se nikdy neusadí do pevného stavu.
Tekutost helia při nízkých teplotách umožňuje provádět přeměnu zvanou Boseho-Einsteinova kondenzace, při níž se jednotlivé částice překrývají, až se chovají jako jedna velká částice. Atomy působící ve shodě se nechovají jako jednotlivé atomy. „Pokud pochodují unisono, nesrážejí se navzájem,“ říká Moses Chan, který studuje supratekutost na Pensylvánské státní univerzitě v University Parku.
Výzkumníci rádi přemýšlejí o supratekutém heliu jako o směsi dvou tekutin, jedné normální a jedné supratekuté. Různé experimenty poukazují na kontrastní charaktery obou frakcí. Nejjednodušší „experiment“ spočívá v pozorování, jak nádoba plná kapalného helia náhle začne unikat, když se ochladí pod lambda bod, a netřecí supratekutá frakce se začne přelévat mikroskopickými trhlinami, kterými normální kapalná frakce nemůže proniknout. („Supertěsnosti“ jsou postrachem vědců pracujících s kapalným héliem již od počátku, říká Beamish.) Když však totéž helium zamícháte jako kávu, normální kapalná frakce se bude bránit pohybu a přece jen propůjčí supratekuté směsi viskozitu.
S klesající teplotou zaujímá supratekutá frakce stále větší podíl směsi. Ve standardním experimentu v oboru vědci měří poměr obou frakcí tak, že umístí vzorek do válcové kovové nádoby zavěšené na drátu. Když drátem zatočí, válec se začne otáčet na jednu a pak na druhou stranu. Kvůli tření mezi ní a stěnami válce se však s válcem otáčí pouze normální frakce; supratekutá část protíná normální tekutinu a zůstává v klidu. Jak se supratekutá frakce zvětšuje, válec se otáčí rychleji, jako by válec ztrácel hmotnost (odborně setrvačnost).
Dvojí povaha supratekutého helia se opět projevuje, když leze po stěnách nádoby. (Podívejte se na video tohoto efektu na YouTube.) Jakákoli kapalina pokryje stěny nádoby, ve které se nachází – opět díky mírné přitažlivosti mezi atomy – ale vnitřní tření kapaliny omezuje, jak daleko se může povlak rozšířit. V případě supratekutého helia se film bez tření rozprostře po celé nádobě a vytvoří jakousi arénu, kterou může supratekutá kapalina proudit. Pokud má kapalina poté, co vyleze z nádoby, kam spadnout, bude kapat ze dna nádoby, dokud nevysaje veškerou supratekutinu nahromaděnou nad ní.
Stejný princip je základem jiné slavné demonstrace, při níž supratekutina rychle vystřeluje z otevřené zahřáté skleněné trubice naplněné na dně jemným práškem. Nazývá se supratekutá fontána a dochází k ní proto, že supratekutina vně trubice se řítí dovnitř, aby ochladila supratekutinu, která byla zahřátá uvnitř trubice. (Allen, spoluobjevitel supratekutosti, údajně objevil tento jev poté, co si posvítil kapesní svítilnou na skleněnou trubici s kapalným héliem.)
Práce na supratekutém héliu již získala tři Nobelovy ceny a možná ještě získá další. V roce 2004 Chan a Eun-Seong Kim z Penn State otáčeli prstencem plným pevného helia při tlaku 26 atmosfér a zjistili, že když helium ochladili pod kritickou teplotu, rotační frekvence se zvýšila stejně jako u kapalného helia. Půl tuctu laboratoří, včetně Beamishovy, studuje efekt „supertělesa“, ale vědci si stále nejsou jisti, které prvky pevného tělesa by kondenzovaly do jediného Boseho-Einsteinova stavu.
Nyní jde o to zjistit, zda supertěleso může vyvolat ekvivalent supertělesa nebo jiných známých superefektů. „Pokud se podaří přesvědčivě prokázat další unikátní vlastnosti,“ říká Beamish, „všichni by se shodli, že jde o novou fázi hmoty.“
.
