Nu trebuie să vă faceți griji că o băutură răcoritoare își va depăși spontan marginea sau că va ieși în sus și în afara paiului din care încercați să beți. Asta pentru că băuturile răcoritoare nu seamănă deloc cu heliul superfluid prezentat în acest videoclip.
Cercetătorii știu de zeci de ani că, dacă răciți heliul lichid cu doar câteva grade sub punctul său de fierbere de -452 grade Fahrenheit (-269 grade Celsius), acesta va fi brusc capabil să facă lucruri pe care alte fluide nu le pot face, cum ar fi să se scurgă prin crăpături subțiri ca niște molecule, să se cațere și să se cațere pe pereții unui vas și să rămână nemișcat atunci când recipientul său este rotit.
Nu mai este un simplu lichid, heliul a devenit un superfluid – un lichid care curge fără frecare. „Dacă așezați o ceașcă în care circulă un lichid și vă întoarceți 10 minute mai târziu, bineînțeles că nu se mai mișcă”, spune John Beamish, fizician experimentalist la Universitatea Alberta din Edmonton. Atomii din lichid se vor ciocni între ei și vor încetini. „Dar dacă ați face acest lucru cu heliu la temperatură scăzută și v-ați întoarce un milion de ani mai târziu”, spune el, „ar fi încă în mișcare.”
Ca o mulțime de alte experimente de fizică care vă fac să spuneți „Huh?” – superfluiditatea decurge din regulile contraintuitive ale mecanicii cuantice. Dar, spre deosebire de alte chestii cuantice, comportamentul ciudat al heliului superfluid este vizibil cu ochiul liber.
Un prim semn al comportamentului ciudat al heliului a fost observat în 1911 de către fizicianul olandez și laureat al premiului Nobel pentru fizică în 1913, Heike Kamerlingh Onnes, un maestru al refrigerării care a fost primul care a lichefiat heliu. Onnes a descoperit că heliul (din punct de vedere tehnic, izotopul heliu 4) a început să conducă ușor căldura sub -455,67 grade F (-270,92 grade C), cunoscut și sub numele de punctul lambda.
Atunci, abia în 1938, fizicianul rus Pyotr Kapitsa și, independent, duo-ul britanic John Allen și Don Misener au măsurat rata de curgere a heliului sub această temperatură printr-o pereche de discuri de sticlă atașate la un piston și, respectiv, la un tub de sticlă lung și subțire. Vâscozitatea a fost atât de scăzută încât Kapitsa, care a câștigat propriul său Premiu Nobel pentru această lucrare, a inventat termenul „superfluid” pentru a-l descrie – după „superconductor”, termenul pentru un material care conduce curenți electrici foarte mari fără rezistență.
Efectul este determinat de capacitatea unică a heliului de a rămâne lichid până la zero absolut (-459,67 grade F sau -273,15 grade C), temperatura la care atomii, teoretic, nu se mai mișcă. Atunci când majoritatea lichidelor sunt răcite, atracția ușoară dintre atomii din fluid începe în cele din urmă să învingă vibrațiile termice, iar particulele se așează într-o ordine regulată, și anume un solid. Dar atomii de heliu sunt atât de ușori și atât de slab atrași unii de alții încât, chiar și atunci când mișcările atomice obișnuite s-au liniștit, atomii se agită cu mișcarea punctului zero, un impuls ușor imprimat de principiul incertitudinii cuantice. Prin urmare, ei nu se stabilesc niciodată în stare solidă.
Lichiditatea heliului la temperaturi scăzute îi permite să efectueze o transformare numită condensare Bose-Einstein, în care particulele individuale se suprapun până când se comportă ca o singură particulă mare. Atomii care acționează la unison nu se comportă ca niște atomi individuali. „Dacă mărșăluiești la unison, nu te ciocnești unul de celălalt”, spune Moses Chan, care studiază superfluiditatea la Pennsylvania State University din University Park.
Cercetătorilor le place să se gândească la heliu superfluid ca la un amestec de două fluide, unul normal și unul superfluid. Diferite experimente scot în evidență caracterele contrastante ale celor două fracțiuni. Cel mai simplu „experiment” este acela de a urmări cum un recipient plin cu heliu lichid are brusc o scurgere atunci când este răcit sub punctul lambda, iar fracțiunea superfluidă fără fricțiune începe să se verse prin fisuri microscopice în care fracțiunea lichidă normală nu poate intra. („Superpierderile” au fost blestemul oamenilor de știință care lucrează cu heliu lichid încă din primele zile, spune Beamish). Dar agită același heliu ca pe o cafea și fracțiunea lichidă normală se va opune mișcării, conferind vâscozitate amestecului superfluid, la urma urmei.
Pe măsură ce temperatura scade, fracțiunea superfluidă ocupă o parte mai mare din amestec. În experimentul standard de aur al domeniului, cercetătorii măsoară raportul dintre cele două fracțiuni plasând o mostră într-un recipient metalic cilindric suspendat de un fir. Când aceștia imprimă o răsucire firului, cilindrul se va roti într-un sens și apoi în celălalt. Dar numai fracțiunea normală se va roti odată cu cilindrul, din cauza frecării dintre aceasta și pereții cilindrului; porțiunea superfluidă taie direct prin fluidul normal și rămâne nemișcată. Pe măsură ce fracțiunea superfluidă crește, cilindrul se rotește mai repede, ca și cum cilindrul și-ar pierde din greutate (din punct de vedere tehnic, inerție).
Natura duală a heliului superfluid acționează din nou atunci când acesta urcă pe pereții unui recipient. (Urmăriți acest videoclip de pe YouTube cu acest efect.) Orice lichid va acoperi pereții unui vas în care se află – din nou datorită atracției ușoare dintre atomi – dar frecarea internă a lichidului limitează cât de departe se poate întinde acoperirea. În cazul heliului superfluid, pelicula fără frecare alunecă peste întregul recipient, creând un fel de arenă prin care superfluidul poate curge. Dacă lichidul are unde să cadă după ce urcă din vas, se va scurge de pe fundul recipientului până când va sifona tot superfluidul acumulat deasupra lui.
Același principiu stă la baza unei alte demonstrații celebre, în care superfluidul iese rapid dintr-un tub de sticlă deschis, încălzit și umplut cu pulbere fină pe fund. Numită fântâna de superfluid, aceasta se produce deoarece superfluidul din afara tubului se grăbește să răcească superfluidul care a fost încălzit de interiorul tubului. (Se spune că Allen, co-dezvăluitorul superfluidității, a descoperit efectul după ce a luminat cu o lanternă de buzunar un tub de sticlă cu heliu lichid.)
Lucrările asupra heliului superfluid au adus deja trei premii Nobel și ar putea obține și mai multe. În 2004, Chan și Eun-Seong Kim de la Penn State au rotit un inel plin de heliu solid la o presiune de 26 de atmosfere și au descoperit că, pe măsură ce răceau heliul sub temperatura critică, frecvența de rotație creștea, la fel ca în cazul heliului lichid. Jumătate de duzină de laboratoare, inclusiv cel al lui Beamish, studiază efectul „supersolid”, dar cercetătorii încă nu sunt siguri ce elemente ale solidului s-ar condensa într-o singură stare Bose-Einstein.
Șmecheria este acum să vedem dacă supersolidul poate produce echivalentul super-fugilor sau al altor super-efecte bine cunoscute. „Dacă alte proprietăți unice pot fi demonstrate în mod convingător”, spune Beamish, „toată lumea ar fi de acord că este o nouă fază a materiei.”
.
