液氦——神奇的量子液体（上）
郑攀
Institute for Quantum Computing, University of Waterloo
关键词：液氦（Liquid helium），玻色子（Boson），费米子（Fermion），超流（Superfluid）
氦，作为在元素周期表中排名第二位的元素，它的名字对于学习过中学化学的人来说不算陌生，谁还没有背过“氢氦锂铍硼”呢。但与此同时，它在人们知识体系中的存在感却并不高。对于大多数人来说，氦就是填充在氦气球和飞艇中的轻盈气体，或者是用来保护电焊过程和晶体生长的“迟钝”气体。一些人或许还知道，氦是恒星中聚变反应以及地球上放射衰变的产物，但这些似乎离日常生活非常遥远。而对于氦在当今前沿科学研究中所扮演的重要角色，就更不为人所知了。
这么低的存在感并不是因为人们有意要忽视它，而是它实在是太低调了：不仅含量稀少，而且不乐意与别的元素发生“瓜葛”，完全是个来无影去无踪的独行侠。在平常环境下，氦是一种无色无味，密度远小于空气（大约只有空气密度的七分之一）的气体，因此如同另一位轻量级选手——氢气一样，很容易挣脱地球引力的束缚逃逸到茫茫宇宙中去。它在空气中的含量极低，体积仅占百万分之五（5 ppm），因而被称为稀有气体。另一方面，由于稳定的原子结构，氦气几乎不和别的元素发生化学反应，因而也被称为惰性气体。这使得氦不能像氢元素那样以化合物的形式留存在地球上。以上两方面的原因导致氦元素在地球上的丰度极低，虽然它在整个宇宙中的丰度排在第二，占宇宙元素总质量的24%，仅次于氢元素75%的占比。
氦元素的发现
正是因为氦的低调，人们到了很晚才发现了它。19世纪中叶，科学家们发展了利用光谱分析来确定化学成分的技术。每一种原子的光谱都有独特的谱线结构，这些谱线结构由原子的能级结构决定。这些谱线如同人的指纹一样，可以让人们在未知物质对应的复杂光谱线中逐一分辨出其组成成分。1868年，在观察日全食的谱线时，人们发现了一组全新的“指纹”，它与地球上已知的任何元素谱线都不相同。这显然是在太阳上发现的新元素，于是人们根据太阳神的名字Helios将其命名为氦（Helium）。又过了近30年，人们终于在1895年从地球的放射性矿石中捕捉到了它细微的身影，这标志着氦元素的正式发现。那时人们才知道，氦并非只存在于“天上”，而是同样存在于“人间”。
永久气体？
氦的发现正好处于十九世纪下半叶热力学迅猛发展的时代。热力学和制冷技术之间的相互推动使得人们一次次地突破低温记录，朝着绝对零度0 K（零开尔文，即零下273.15摄氏度，1 K的温差等于1 ̊C的温差）进发。一个个曾经被预言难以液化的“永久气体”都在复杂的实验装置中变成了默默沸腾着的液体。1898年，人们利用新发明的Joule-Thomson节流致冷技术在20 K将氢气液化，氦随即成了最后一种未被液化的气体。
液化氦气的竞赛马上在英国皇家学院的James Dewar团队，荷兰莱登大学的Kamerlingh Onnes团队以及其他团队之间激烈地展开。Dewar团队即是率先成功液化氢元素的团队，其发明了Dewar瓶以及Joule-Thomson节流阀等先进低温设备和技术，具有明显先发优势。然而Onnes团队潜心升级仪器设备，改进工艺，十年磨一剑，终于在1908年利用节流扩散的方法液化了最后一种“永久气体”，赢得了竞赛。Onnes本人也因此获得了1913年的诺贝尔物理学奖。
最后一种自然气体的成功液化，标志着低温物理实验研究进入了一个全新的时代。氦的液化温度是 4.2 K，意味着人们能够方便地在仅比绝对零度高4.2度的温度下研究各种物质的性质，这奠定了当今许多前沿基础科学研究的开山之作。1947年，Collins制造了第一台商用氦气液化机，使得低温的获取不再是少数几个先进实验室的特权，低温物理实验的研究迅速在全世界范围内展开。
事实上，当今氦的最大单一用途，不是节日里的氦气球，也不是工业中的保护气，而是作为一种冷却液。比如医院里的核磁共振扫描仪就需要液氦进行冷却。扫描仪巨大的圆桶里装着超导电磁铁，它提供了核磁共振所需要的强磁场。超导电磁铁是由超导材料绕成的电磁线圈。当超导线圈浸泡在液氦中变成超导体时，线圈的电阻消失。这时线圈就能够承载产生强磁场所需要的巨大电流，同时不产生丝毫的热量。
永久液体？
在获得液氦之后，人们随即期望进一步将其固化。然而当时的人们并不知道，传统的固化液体的方式，也就是通过不断抽走蒸气实现降温的方法，是注定不会成功的。这刚刚诞生的液体迟迟不能凝固，又成了最后的“永久液体”。
多年以后，人们才意识到，这种方法失败的根源正是氦原子的量子力学效应。现在我们已经知道，由于量子力学的不确定原理，哪怕温度到达绝对零度，原子或分子处于能量最低的状态，它们也并非完全静止不动。此时这些粒子仍然一刻不停地振动着，因此仍然带一定的动能，称为零点能。对于其他绝大部分物质，这个零点能的影响都可以忽略不计。然而对于孤零零的氦原子来说，彼此之间微弱的van der Waals作用力竟敌不过自己的零点能。也就是说，即使没有一丝热能从外界输入，本应该结晶的固体氦也被自身的零点能融化了。在趋近绝对零度时，只有当施加了足够的压强（约25个大气压）以提供额外的相互作用，液体氦才能被固化。正是因为在压力不足时液氦能够一直保持液态，那些其出人意料的量子效应性质才能在温度足够低时得以显现出来。这种量子效应显著的液体被称为量子液体。
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[12] The official website of the Nobel Prize. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/
[13] (封面图片) Liquid helium, wikipedia
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