Nem kell attól tartanod, hogy egy üdítőital spontán túlcsordul a peremén, vagy felfelé lő és kilő a szívószálból, amelyből inni próbálsz. Az üdítőitalok ugyanis egyáltalán nem hasonlítanak a videón látható szuperfolyékony héliumhoz.
A kutatók már évtizedek óta tudják, hogy ha a folyékony héliumot csak néhány fokkal -452 Fahrenheit-fok (-269 Celsius-fok) forráspontja alá hűtjük, hirtelen olyan dolgokra lesz képes, amire más folyadékok nem, például molekulavékony repedéseken keresztül csöpögni, felmászni egy edény oldalára, és mozdulatlan marad, amikor a tartályát forgatják.
A hélium már nem egyszerű folyadék, hanem szuperfolyadékká vált – olyan folyadékká, amely súrlódás nélkül áramlik. “Ha beállítunk egy csészét, amelyben folyadék kering, és 10 perc múlva visszajövünk, természetesen már nem mozog” – mondja John Beamish, az edmontoni Albertai Egyetem kísérleti fizikusa. A folyadékban lévő atomok összeütköznek egymással és lelassulnak. “De ha ezt alacsony hőmérsékletű héliummal csinálnánk, és egymillió évvel később visszajönnénk” – mondja – “még mindig mozogna.”
Mint sok más fizikai kísérlet, ami arra késztet, hogy “Huh?” – a szuperfolyékonyság a kvantummechanika ellentmondásos szabályaiból fakad. De ellentétben más kvantumos dolgokkal, a szuperfolyékony hélium furcsa viselkedése szabad szemmel is látható.
A hélium furcsa viselkedésének korai jelét még 1911-ben figyelte meg a holland fizikus és 1913-as fizikai Nobel-díjas Heike Kamerlingh Onnes, a hűtés mestere, aki elsőként cseppfolyósította a héliumot. Onnes megállapította, hogy a hélium (technikailag a hélium 4 izotópja) -455,67 F (-270,92 C) fok alatt, ami a lambda-pontként is ismert.
Csak 1938-ban Pjotr Kapitsa orosz fizikus és tőle függetlenül John Allen és Don Misener brit duó mérte meg a hélium áramlási sebességét ezen hőmérséklet alatt egy dugattyúhoz, illetve egy hosszú, vékony üvegcsőhöz rögzített üvegkorong-páron keresztül. A viszkozitás olyan alacsony volt, hogy Kapitsa, aki a munkájáért Nobel-díjat kapott, a “szuperfolyékony” kifejezést alkotta meg ennek leírására – a “szupravezető” kifejezés után, amely olyan anyagot jelöl, amely nagyon nagy elektromos áramot vezet ellenállás nélkül.
A hatás kulcsa a hélium egyedülálló képessége, hogy abszolút nulla fokig (-459,67 F, azaz -273,15 C fok) folyékony marad, amely hőmérsékleten az atomok elméletileg megállnak. Amikor a legtöbb folyadékot lehűtjük, a folyadékban lévő atomok közötti enyhe vonzás végül kezd felülkerekedni a hőrezgéseken, és a részecskék szabályos rendbe, azaz szilárd anyaggá rendeződnek. A héliumatomok azonban olyan könnyűek és olyan gyengén vonzódnak egymáshoz, hogy még akkor is, amikor a szokásos atommozgások elcsendesedtek, az atomok zéróponti mozgással, a kvantumbizonytalansági elv által közvetített enyhe lendülettel rázkódnak. Ezért soha nem rendeződnek szilárd állapotba.
A hélium likviditása alacsony hőmérsékleten lehetővé teszi, hogy a Bose-Einstein-kondenzációnak nevezett átalakulást hajtson végre, amelynek során az egyes részecskék addig fedik egymást, amíg egyetlen nagy részecskeként viselkednek. Az együttesen viselkedő atomok nem úgy viselkednek, mint az egyes atomok. “Ha egységben menetelnek, nem ütköznek egymással” – mondja Moses Chan, aki a szuperfolyékonyságot tanulmányozza a University Park-i Pennsylvania Állami Egyetemen.
A kutatók szeretnek úgy gondolni a szuperfolyékony héliumra, mint két folyadék, egy normál és egy szuperfolyékony keverékére. Különböző kísérletek hozzák ki a két frakció ellentétes karakterét. A legegyszerűbb “kísérlet” az, hogy megfigyeljük, amint egy folyékony héliummal teli tartály hirtelen szivárog, amint a lambda-pont alá hűtik, és a súrlódásmentes szuperfolyékony frakció elkezd ömleni a mikroszkopikus repedéseken keresztül, ahová a normál folyadékfrakció nem tud bejutni. (“Szuperszivárgás” volt a folyékony héliummal dolgozó tudósok bosszúja a kezdetek óta, mondja Beamish). De keverjük ugyanazt a héliumot, mint a kávét, és a normál folyékony frakció ellenáll a mozgásnak, végül is viszkozitást kölcsönözve a szuperfolyékony keveréknek.
Amint csökken a hőmérséklet, a szuperfolyékony frakció egyre nagyobb részt vesz fel a keverékből. A szakterület aranykategóriás kísérletében a kutatók a két frakció arányát úgy mérik, hogy a mintát egy henger alakú fémtartályba helyezik, amelyet egy dróton felfüggesztettek. Amikor a drótra csavart gyakorolnak, a henger elfordul az egyik, majd a másik irányba. De csak a normál frakció fog a hengerrel együtt forogni, a közte és a henger falai közötti súrlódás miatt; a szuperfolyékony rész egyenesen átvág a normál folyadékon, és mozdulatlan marad. Ahogy a szuperfolyékony frakció növekszik, a henger gyorsabban forog, mintha a henger veszítene súlyából (technikailag tehetetlenségből).
A szuperfolyékony hélium kettős természete ismét működésbe lép, amikor felmászik egy tartály falára. (Nézze meg ezt a YouTube-videót a hatásról.) Bármilyen folyadék bevonja az edény oldalát, amelyben ül – ismét az atomok közötti enyhe vonzásnak köszönhetően -, de a folyadék belső súrlódása korlátozza, hogy a bevonat milyen messzire terjedhet. A szuperfolyékony héliumban a súrlódásmentes film az egész edényre rácsúszik, egyfajta arénát hozva létre, amelyen keresztül a szuperfolyadék áramolhat. Ha a folyadéknak van hová esnie, miután kimászik az edényből, akkor a tartály aljáról addig csöpög, amíg el nem szippantja a fölötte összegyűlt összes szuperfolyadékot.
Ugyanez az elv áll egy másik híres demonstráció hátterében, amelyben a szuperfolyadék gyorsan kilövell egy nyitott, fűtött üvegcsőből, amelynek aljára finom port pakoltak. A szuperfolyékony szökőkútnak nevezett jelenség azért következik be, mert a csövön kívüli szuperfolyadék a cső belseje által felmelegített szuperfolyadék lehűtésére siet. (Allen, a szuperfolyékonyság társfelfedezője állítólag azután fedezte fel a hatást, hogy egy zseblámpával rávilágított egy folyékony héliummal teli üvegcsőre.)
A szuperfolyékony héliummal kapcsolatos munkák már három Nobel-díjat hoztak, és még több is lehet. 2004-ben a Penn State-i Chan és Eun-Seong Kim 26 atmoszféra nyomáson forgatott egy szilárd héliummal teli gyűrűt, és azt tapasztalták, hogy amint a héliumot a kritikus hőmérséklet alá hűtötték, a forgási frekvencia megnőtt, akárcsak a folyékony héliumnál. Fél tucat laboratórium, köztük Beamishé is, tanulmányozza a “szuperszilárd” hatást, de a kutatók még mindig nem tudják biztosan, hogy a szilárd anyag mely elemei sűrűsödnének egyetlen Bose-Einstein-állapotba.
A trükk most az, hogy kiderüljön, a szuperszilárdság képes-e a szuperszivárgás vagy más jól ismert szuperhatások megfelelőjét produkálni. “Ha más egyedi tulajdonságokat is meggyőzően ki lehet mutatni” – mondja Beamish – “mindenki egyetértene azzal, hogy ez az anyag egy új fázisa.”
