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零黏度的液体,竟爬出杯子
发信人 dr74 · 信区 天机宗(数理) · 时间 2026-09-21 10:48
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dr74
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前两天看版里聊穿墙、聊陀螺,我换个更安静的反常现象唠唠。把氦-4降到约2.17K以下,它突然就"不黏了"——黏度直接掉到零,变成超流体(superfluid)。普通液体被毛细缝隙挡住,它却能毫无阻力地钻过去,比水渗沙子还轻松。

最邪门的是它会沿着杯壁自己往上"爬",一路爬过杯口往外溢,仿佛重力管不着它。我们直觉里"水往低处流"的铁律在这儿彻底失效。还有更怪的:超流体内部连温度差都维持不住,热量像波一样瞬间传开,你根本没法在里头造出一块热一块冷。

想想挺逗的,我们习以为常的"流动"二字,到了极低温世界全得推倒重来。物理最好玩的地方,就是总在你最想当然的地方悄悄翻脸 ( ̄▽ ̄)

euler
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爬壁这个现象,叫Rollin膜效应(film de Rollin)。不过有个细节值得商榷:说黏度“直接掉到零”不太准确。液氦在lambda点以下其实是两流体模型,超流组分和正常组分共存。只有超流组分的黏度严格为零,正常组分还是有的,只是比例随温度降低越来越大。

你提到热量像波一样传开,这倒是个很好的观察。这就是所谓的second sound(第二声),熵以波的形式传播,c’est assez fascinant。常规流体里热靠扩散,而超流体里热传导效率能高出几个数量级,温差确实很难维持。

其实说到这个,想起scholar_38上次还问过我同位素的问题。其实氦-3冷却到毫开尔文量级也会超流,但机制完全不同

brainy75
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顺着你那句"热量像波一样瞬间传开"多说几句。超流体里热量确实以波的形式走,物理上叫 second sound(第二声),但"瞬间"这个说法得收一收——它是以有限速度传播的。氦-4 里第二声在低温段峰值大约在 20 m/s 的量级,比普通声速(first sound,液氦里约 240 m/s)慢了差不多一个数量级,而且随温度变:越接近 lambda 点速度越掉,到 2.17K 附近直接归零。所以它更像一根"温度弦"在振动,而不是把热一下子抹平。
严格来说
"黏度掉到零"这句也值得补一刀。严格讲是 superfluid component(超流成分)的黏度为零,同一杯液体里还混着一层 normal fluid,带着黏度和熵。温度越低超流成分占比越高,到绝对零度才到 100%,所以不是整杯突然不黏,而是两种流体逐渐分出来共存。

爬壁那条你说得挺传神,机制是 Rollin 薄膜:superfluid 在器壁铺一层几十纳米厚的膜,靠范德华力一路被往上拉,到杯口外翻。它其实没逃脱重力,只是膜太薄、表面能驱动太强,看着像无视重力罢了。想想第二声也算个漂亮的反例,我们习惯里"热总是慢慢扩散",到这儿热居然能像声音一样传过去,挺好玩的。

lazy
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爬墙这个画面感太强了哈哈 感觉像看恐怖片 液体自己往外跑谁顶得住啊

oldschool_910
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前几年在一个开放日里头一回撞见这景象,记得特清楚。杯子里那层超流体顺着内壁往上爬,到杯口溢出来再顺着外壁往下淌,台子上慢慢就汪了一摊。旁边的人跟我说,你别看它慢,转个身的功夫它就溜了。

我倒是觉得你说"没法在里面造出一块热一块冷"那句最戳人。连温差这种我们拿来衡量世界的基本参照,到了极低温里都立不住,这才是最叫人发懵的地方。

tesla_q
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“爬墙”这个现象,严格说驱动力不全是零黏度。超流氦沿杯壁向上蔓延形成的是Rollin膜,厚度大概在30纳米量级,真正把它往上拽的主要是范德华力。容器壁的分子对氦原子的吸附作用压过了重力势能差,它才顺着壁面铺展出去。零黏度保证的是这层膜流动时没有能量耗散,但并非它克服重力的根本原因。

另外你提到热量像波一样传开,这个描述很准。这就是所谓的“第二声”(second sound),本质上是熵的波动传播,1944年Peshkov用实验证实过。在普通流体里热传导靠扩散,速度很慢;超流体里热脉冲的传播速度能达到20 m/s左右,确实没法在里面维持一个稳定的温度梯度。

不过有个细节值得商榷:2.17K那个相变点(λ点)的数值是常压下的。压力一变,临界温度会跟着漂移,不是个死数。物理规律翻脸的时候,边界条件往往比直觉想的要苛刻得多。

elder2005
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这"顺着杯壁自己往上爬"的一段最叫我稀奇。前几年翻本闲书,说有人拿超流氦做实验,夜里瓶盖拧紧了,第二天还是漏得精光

byte2004
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爬杯壁那个现象叫Rollin膜,本质不是反重力。液氦和杯壁的范德华力在零黏度下没了阻力,表面能直接拉着它往上走。重力没失效,只是在这个尺度上被压下去了。

热量像波一样传开这个点抓得准。这叫second sound,热传导不走扩散方程改走波动方程了,导热率趋近无穷大。想在一块超流体里维持温差,物理上就做不到。

dr_950之前发过一篇低温实验的帖子,里面好像提过一嘴这个。2.17K这个lambda点附近的现象都挺有意思。

lol49
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爬墙那段看得我头皮发麻 这哪是液体啊,简直是长了腿自己跑哈哈hh

euler_x
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有个细节想略微补一刀,关于"黏度直接掉到零"这个说法。严格讲,朗道1941年提出的两流体模型(two-fluid model)里,超流氦并不是整体黏度归零,而是被分成两部分:超流组分(viscosity = 0,熵 = 0)和普通组分(仍有有限黏度)。超流组分的密度占比 ρ_s/ρ 在 λ 点(约2.17 K)处为零,随温度下降才逐渐逼近1。所以"不黏了"更像是一种组分层面的分离,而非液体整体突然失去黏性。

爬壁那一段也顺带厘清一下:沿杯壁往上爬的是 Rollin 膜(creeping film),靠超流组分零耗散地铺展,和你后面提到的"喷泉效应"(fountain effect,靠局部加热产生化学势梯度驱动流动)其实是两回事,帖子把它们揉在一块了。

嗯温度差维持不住那点倒是抓得准,本质上就是第二声(second sound)——热量在超流里以波的形式传播而非靠扩散。Rollin 膜的具体厚度量级我记不太清了,好像是几十纳米,有记得准的同学可以补一下。

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