Nie musisz się martwić o to, że napój bezalkoholowy spontanicznie przeleje się przez krawędź lub wystrzeli w górę i wyjdzie ze słomki, z której próbujesz pić. To dlatego, że napoje bezalkoholowe w niczym nie przypominają superpłynnego helu pokazanego na tym filmie.
Badacze od dziesięcioleci wiedzą, że jeśli schłodzisz ciekły hel o kilka stopni poniżej jego temperatury wrzenia wynoszącej -452 stopnie Fahrenheita (-269 stopni Celsjusza), to nagle będzie on w stanie robić rzeczy, których inne płyny nie potrafią, takie jak dryfowanie przez cienkie jak molekuła pęknięcia, wspinanie się po ścianach naczynia i pozostawanie w bezruchu, gdy jego pojemnik jest obracany.
Nie jest już zwykłą cieczą, hel stał się superfluidem – cieczą, która płynie bez tarcia. „Jeśli postawisz kubek z krążącą wokół cieczą i wrócisz po 10 minutach, to oczywiście przestanie się ona poruszać” – mówi John Beamish, fizyk eksperymentalny z Uniwersytetu Alberty w Edmonton. Atomy w cieczy zderzają się ze sobą i zwalniają. „Ale jeśli zrobilibyśmy to z helem w niskiej temperaturze i wrócilibyśmy do tego milion lat później,” mówi, „to nadal by się poruszał.”
Jak wiele innych eksperymentów z dziedziny fizyki, które sprawiają, że zaczynasz mówić „Huh?”- nadpłynność wynika z sprzecznych z intuicją zasad mechaniki kwantowej. Ale w przeciwieństwie do innych kwantowych rzeczy, dziwne zachowanie nadpłynnego helu jest widoczne gołym okiem.
Wcześniejsze oznaki dziwnego zachowania helu zostały zaobserwowane w 1911 roku przez holenderskiego fizyka i laureata Nagrody Nobla z fizyki z 1913 roku, Heike Kamerlingh Onnesa, mistrza chłodnictwa, który jako pierwszy skroplił hel. Onnes stwierdził, że hel (technicznie rzecz biorąc, izotop helu 4) zaczął łatwo przewodzić ciepło poniżej -455,67 stopni F (-270,92 stopni C), znany również jako punkt lambda.
Dopiero w 1938 roku rosyjski fizyk Pyotr Kapitsa i, niezależnie, brytyjski duet John Allen i Don Misener zmierzyli szybkość przepływu helu poniżej tej temperatury przez parę szklanych dysków przymocowanych do tłoka i długiej, cienkiej rurki szklanej, odpowiednio. Lepkość była tak niska, że Kapitsa, który otrzymał swoją własną Nagrodę Nobla za tę pracę, ukuł termin „nadciekły”, aby go opisać – po „nadprzewodniku”, termin dla materiału, który przewodzi bardzo wysokie prądy elektryczne bez oporu.
Kluczem do efektu jest wyjątkowa zdolność helu do pozostania w stanie ciekłym aż do zera absolutnego (-459.67 stopni F, lub -273.15 stopni C), temperatury, w której atomy teoretycznie przestają się poruszać. Kiedy większość cieczy jest schładzana, lekkie przyciąganie pomiędzy atomami w cieczy w końcu zaczyna pokonywać wibracje cieplne, a cząsteczki układają się w regularny porządek, czyli w ciało stałe. Ale atomy helu są tak lekkie i słabo przyciągają się nawzajem, że nawet gdy zwykłe ruchy atomowe ucichną, atomy poruszają się ruchem zeropunktowym, lekkim pędem nadawanym przez kwantową zasadę nieoznaczoności. Dlatego też nigdy nie przechodzą w stan stały.
Płynność helu w niskich temperaturach pozwala mu na przeprowadzenie przemiany zwanej kondensacją Bosego-Einsteina, w której poszczególne cząsteczki nakładają się na siebie, aż zachowują się jak jedna duża cząstka. Atomy działające w unisonie nie zachowują się jak pojedyncze atomy. „Jeśli maszerujesz w unisonie, nie zderzasz się ze sobą” – mówi Moses Chan, który bada nadciekłość na Uniwersytecie Stanowym Pensylwanii w University Park.
Badacze lubią myśleć o nadciekłym helu jako o mieszaninie dwóch cieczy, jednej normalnej i jednej nadciekłej. Różne eksperymenty wydobywają kontrastujące charaktery tych dwóch frakcji. Najprostszy „eksperyment” polega na obserwowaniu, jak pojemnik pełen ciekłego helu nagle zaczyna przeciekać, gdy zostaje schłodzony poniżej punktu lambda, a pozbawiona tarcia frakcja nadciekła zaczyna wylewać się przez mikroskopijne szczeliny, do których normalna frakcja ciekła nie może się dostać. („Super-wycieki” były zmorą naukowców pracujących z ciekłym helem od samego początku, mówi Beamish). Ale zamieszaj tym samym helem jak kawą, a normalna frakcja ciekła oprze się ruchowi, nadając lepkość superpłynnej mieszaninie.
Jak temperatura spada, frakcja superpłynna zajmuje coraz większą część mieszaniny. W standardowym eksperymencie badacze mierzą stosunek tych dwóch frakcji, umieszczając próbkę w cylindrycznym metalowym pojemniku zawieszonym na drucie. Gdy drut zostanie skręcony, cylinder zacznie się obracać w jedną, a następnie w drugą stronę. Jednak tylko normalna frakcja obraca się wraz z cylindrem z powodu tarcia między nią a ściankami cylindra; część nadciekła przecina normalny płyn i pozostaje nieruchoma. Wraz ze wzrostem frakcji superpłynnej, cylinder obraca się szybciej, tak jakby tracił na wadze (technicznie rzecz biorąc, bezwładności).
Dwoista natura superpłynnego helu działa ponownie, gdy wspina się on po ściankach pojemnika. (Obejrzyj film na YouTube o tym efekcie.) Każda ciecz pokryje ścianki naczynia, w którym siedzi – znów dzięki lekkiemu przyciąganiu między atomami – ale wewnętrzne tarcie cieczy ogranicza to, jak daleko powłoka może się rozprzestrzenić. W przypadku nadpłynnego helu pozbawiona tarcia powłoka rozciąga się na cały pojemnik, tworząc swego rodzaju arenę, przez którą nadpłynny hel może przepływać. Jeśli ciecz ma gdzie opaść po wydostaniu się z naczynia, będzie kapać z dna pojemnika, aż wypłucze cały zgromadzony nad nią superfluid.
Ta sama zasada leży u podstaw innej słynnej demonstracji, w której superfluid gwałtownie wystrzeliwuje z otwartej, podgrzanej szklanej rurki wypełnionej na dnie drobnym proszkiem. Nazywa się to fontanną superfluidu, ponieważ superfluid znajdujący się na zewnątrz rurki wdziera się, aby ochłodzić superfluid, który został ogrzany przez wnętrze rurki. (Allen, współodkrywca nadciekłości, podobno odkrył ten efekt po tym, jak świecił latarką kieszonkową na szklaną rurkę ciekłego helu.)
Praca nad nadciekłym helem przyniosła już trzy Nagrody Nobla i może jeszcze przynieść więcej. W 2004 roku Chan i Eun-Seong Kim z Penn State obracali pierścień wypełniony stałym helem pod ciśnieniem 26 atmosfer i odkryli, że w miarę ochładzania helu poniżej temperatury krytycznej częstotliwość obrotów wzrastała, podobnie jak w przypadku ciekłego helu. Pół tuzina laboratoriów, w tym laboratorium Beamisha, bada efekt „supersolidu”, ale naukowcy wciąż nie są pewni, które elementy ciała stałego skondensowałyby się w pojedynczy stan Bose-Einsteina.
Teraz sztuką jest sprawdzenie, czy supersolid może wytworzyć odpowiednik super-wycieków lub innych dobrze znanych super-efektów. „Jeśli uda się w przekonujący sposób wykazać inne unikalne właściwości,” mówi Beamish, „wszyscy zgodzą się, że jest to nowa faza materii.”
.
