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「超流體」是什麼酷東西?為何它可以逃離容器?:千變萬化的流體(二)

ntucase_96
・2021/12/05 ・2519字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 作者/劉詠鯤

本文轉載自 CASE 報科學 《千變萬化的流體(二):超流體

剛睡醒的早晨,沖泡好一杯香氣四溢的咖啡,加入鮮奶、糖攪拌後準備享用時,卻發現咖啡似乎還在不停的旋轉,沒有停下來的跡象。仔細看,還會發現咖啡竟然開始沿著杯壁向上攀爬、越過杯口,最後在杯子底部匯聚、滴落。很明顯,以上場景純屬虛構,咖啡可不會這樣。但大自然中卻有種流體有這樣的性質,那就是:超流體。

在上一篇文章<千變萬化的流體(一):一個做了 90 年的實驗>中,我們介紹了流體的黏滯性。其中瀝青具有非常大的黏性,其流動十分緩慢,外在表現基本上和固體無異。黏滯性極小的一端,則存在著一種不具有任何黏滯性的流體,便是超流體。超流體具有許多神奇的性質,例如可以通過極微小的毛細管、將超流體放在容器中,它會沿著容器壁爬升,跑出容器外…等等。令人感到可惜的是,具有如此神奇性質的超流體,目前只有在極端低溫的條件下才能存在。

圖一、逃離容器的超流體。裝在容器內的超流體(液態氦),會沿著容器壁向上爬升、超過容器口,最後在容器外匯聚、滴落,直到所有的液態氦全數「逃離」。圖片來源:Alfred Leitner

超流體是什麼?

1937 年,科學家卡皮查與艾倫,在嘗試將氦-4這種元素冷卻到極低溫時,發現當溫度低於 2.17 K(−270.98°C)時,氦的性質突然發生改變[1]。在以下連結的影片中呈現了氦-4冷卻的過程。

我們可以發現當氦的溫度逐漸下降,氦突然從原本如沸騰般充滿氣泡的情況,突然「安靜」了下來,那時便是氦-4的溫度達到「臨界溫度」,發生根本性質的改變(物理上稱為「相變」),從一般流體轉變為超流體。

為什麼會出現這個景象?這裡我們要介紹超流體的第一個重要性質:「超流體內部不存在溫度差」[2]。這意味著,若是我們在超流體的一端加熱,溫度可以瞬間傳遞到超流體的另一端。這個性質在一般流體中可沒那麼常見,讓我們回想一下生活中最常見的流體之一:水。

當我們將一壺水,放在瓦斯爐上加熱時會看到水的熱對流現象:最靠近火源的水溫度上升最快,因為密度減小而上浮,旁邊溫度較低的冷水則往中央靠近,形成對流。對流愈是劇烈,整個流體便顯得愈不平靜。但若是我們加熱的是超流體,由於超流體的熱傳導率是無限大,因此熱源所釋放的熱量會在一瞬間傳遞到整個超流體中。由於內部沒有溫差,不會出現如熱水般的劇烈對流現象,顯得特別「安靜」。

這種特性顯示超流體分子的性質,就如同一個巨大的整體:若流體中有一個地方溫度改變,所有分子就要一起改變。這種性質來自於氦-4是一種「玻色子」。玻色子這種粒子在極低溫的情況下,會傾向於所有粒子都落回最低能量狀態(基態),這個現象被稱為玻色-愛因斯坦凝聚。蘇聯物理學家朗道透過此理論,解釋了氦-4為何在極低溫下會形成超流體。

打個比喻,剛成年的少年們,每個人都有獨特的生活模式,但到成功嶺受訓時,便全部「凝聚」在一起,形成一個具有共同性質的集體。有趣的是,由於少年們都具有極為相似的性質,因此他們之間的「摩擦」(彼此之間的交互作用,也就是黏滯性)會大幅下降,形成獨特的超流體現象。

有縮骨功的超流體?

若是我們手邊有兩種流體,想要判斷哪一種可以通過一根細管子。我們的生活經驗告訴我們,愈黏的流體,愈不容易通過。黏性愈大的流體,代表它們分子之間的作用力愈大。打個比喻的話,可以說它們更愛「群聚」,若是要通過某一個孔洞,那就要讓大部分的分子一起通過才行。例如,固體可以想像成是一種黏性無限大的流體。想要讓一個硬幣通過吸管,那吸管勢必要比硬幣大才行。那黏滯性為零的超流體,會怎麼表現呢?它們的分子之間可以說「毫無感情」,因此只要細管的孔徑允許一個分子通過,那超流體就有辦法流過這根極細的管子。

反重力的超流體?

超流體沿著容器壁爬升又是怎麼回事呢?若是我們將水裝在一根試管中,仔細觀察,可以發現管壁的水位比中央的水位來的高,這個稱為水的「附著力」,也就是容器壁對於水分子有個吸引力。那為什麼容器壁不會將水一直拉上去,而會停在某個位置呢?一方面是地心引力,另一方面是水分子之間「扯後腿」的黏滯力。水分子想要沿著杯壁向上爬,但黏滯性就如同他不是自己一個人爬,而是攜家帶眷外掛行李,因此爬到某一個高度就爬不動了(如圖二)。

這時讀者大概可以想到超流體是怎麼回事了。如特種部隊的超流體分子,它沿著容器壁攀爬只需要自己能爬上去就可以。最終的結果,便是超流體會在容器壁形成只有一個分子厚度的薄膜,將整個容器包裹起來。延伸到容器外的流體,在地心引力影響下便會匯聚在容器底端,向下低落,形成了超流體「逃出容器」的奇特現象。

圖二、不同流體附著力影響示意圖。一般流體,如圖 (a) 中的水,由於黏滯力較大(如同攀岩者負重較重),只能爬升到有限的高度;超流體由於不具有黏滯性,分子間互不影響,可以如圖 (b) 般沿著容器壁爬升、甚至跑到容器外。

在發現超流體現象之前,沒有人預期到物質在被降至極低溫後會表現出如此截然不同的性質。隨著科技的進步,人們逐漸有能力一探各種極端條件下物質的變化,相信還有非常多有趣的現象在等著我們。

註解

[1] 除了氦-4以外,它的同位素氦-3也在更接近絕對溫度時(0.0026K)展現出了超流體的性質。
[2] 由於這個性質和超導體的「超導體內部不存在電位差」十分相近,因此得名「超流體」。

參考資料:

[1] Superfluidity
[2] Pyotr Kapitsa Biographical
[3] The Strange, Frictionless World of Superfluids

文章難易度
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ntucase_96
30 篇文章 ・ 235 位粉絲
CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。


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提早部署「免疫負債」!接種流感疫苗,有助於降低新冠肺炎死亡率

careonline_96
・2022/01/20 ・2436字 ・閱讀時間約 5 分鐘
接種流感疫苗,有助降低新冠肺炎死亡率,感染科醫師圖解說明

新冠肺炎 COVID-19 疫情是大家高度關注的問題,不過流感病毒可沒有沉寂,流感會不會出現大反撲,是目前全世界都很關心的議題。臺大兒童醫院黃立民院長表示,流感疫情與邊境管制措施有關,隨著政策的調整,流感再流行的機會相當大。因為已經兩年沒有流行,加上監視結果顯示,流感病毒株已經改變,所以當流感疫情升溫,可能出現大流行。

大家常聽到的「免疫負債」意思就是說,大家為了預防新冠肺炎 COVID-19,所以會戴口罩、勤洗手、保持距離,使得呼吸道感染、腸胃道感染的機會降低,因此一些本來容易得到的傳染病,例如流感、腸病毒等在這兩年都少了許多。黃立民醫師解釋,造成的結果就是,一旦解除防疫限制,民眾開始不戴口罩、洗手頻率減少、社交距離拉近,其他病毒就會開始流行。由於已經連續兩年都較少人感染,可以感染的人數就會變多,這個時候就容易爆發流行,把過去兩年沒有爆發的流行補回來,所以叫做「免疫負債」,像是還債的概念。

「包括法國、紐西蘭,都有觀察到這個現象,一開放邊界,就馬上大爆發」黃立民醫師提醒,「要解決免疫負債,就是要大家趕緊去打疫苗。冬天需要施打的呼吸道疾病疫苗,最強調的還是流感疫苗。」

流行性感冒病毒(Influenza virus)是經由飛沫傳染,感染者的鼻咽部、口腔、還有呼吸道都有病毒,在講話、咳嗽、打噴嚏時,會把病毒噴到環境裡,黃立民醫師說,如果距離一到兩公尺之內,就有機會被飛沫噴到而感染;另外一個模式,叫做媒介物傳染,感染者會污染他的物品,例如杯子、桌面、門把等,如果有人進入這些環境,就可能碰觸病毒而遭到感染。我們生活在城市裡,流感患者可能搭捷運、進餐館,所以扶手、椅子、桌子都可能有病毒,這種傳染模式在大城市相當常見。

流感症狀較嚴重,不同於一般感冒

呼吸道感染可分成兩種,一種叫做一般感冒,一種叫做類流感,黃立民醫師解釋,一般感冒比較輕微,類流感會比較嚴重。類流感的定義,第一個是發燒,第二個是有呼吸道症狀,比如說咳嗽、流鼻水、喉嚨痛等。

類流感跟一般感冒最大的差別就是發燒,成年人得到一般感冒通常不會發燒,如果發燒了,代表狀況比較嚴重,黃立民醫師說,台灣的類流感通常都會伴隨著一些比較不舒服的表現,包括畏寒發燒、全身痠痛、倦怠感、劇烈頭痛、腰酸背痛,這些都是流感的典型症狀。

流感不同於一般感冒

流感除了讓人全身很不舒服外,還可能出現嚴重併發症,黃立民醫師說,流感病毒會跑到肺部引起肺炎、跑到心臟造成心肌炎、跑到腦部造成腦炎,其中最常見是肺炎。流感病毒還可能引起繼發性細菌感染,例如在感染肺部以後出現細菌感染。

「由於流感病毒會攻擊我們的組織,造成全身發炎,進而導致患者原有的慢性病惡化」黃立民醫師說,「例如心臟冠狀動脈本來塞了 75%,得到流感之後可能就會塞到 95%,導致心肌梗塞。無論是慢性心臟病、高血壓、糖尿病、慢性腎臟、肝臟疾病,都可能會惡化,甚至導致死亡。」

預先部屬,預防流感

預防流感就跟預防新冠肺炎 COVID-19 一樣,要戴口罩、勤洗手、保持社交距離,減少接觸病毒的機會,黃立民醫師說,另一方面可以在每年冬天施打流感疫苗,提升身體的保護力。因為流感病毒會突變,每一年流行的病毒株都不太一樣,而且流感疫苗的保護力持續時間較短,一般認為大概三、四個月之後效果就漸漸變差了,所以每年需要重新施打。

預先部屬,預防流感

呼吸道感染發生時常常是兩、三種病原體一起感染,黃立民醫師說,隨著檢驗工具的進步,我們會發現很多人並非只有一種細菌或病毒,而是多重感染。研究發現,新冠肺炎患者亦會同時找到兩種病原,流感與新冠肺炎可能同時感染,而且病情還會加重。

「研究指出,施打過流感疫苗,比較不會被診斷新冠肺炎 COVID-19;而且如果不幸得到新冠肺炎,死亡率也會降低。」黃立民醫師解釋,「因為很多新冠肺炎屬於輕症,如果患者單獨得到新冠肺炎,症狀可能不甚嚴重,而不會就醫。但如果同時得到新冠肺炎和流感,症狀比較嚴重使就醫機率高,也就較容易被診斷出來。」

其實不只流感病毒、新冠肺炎,呼吸道本來就是一個開放的環境,還有多種細菌、病毒都混在裡面,同時遭到兩、三種感染,是很常有的狀況。因此建議可同時接種呼吸道疾病疫苗,例如流感疫苗、百日咳疫苗、肺炎鏈球菌疫苗等,都可降低新冠肺炎死亡率約兩成至三成。

貼心小提醒

五十歲以上,或者是有慢性病,例如心臟病、肝病、癌症、或是服用免疫抑制劑的患者,得到流感時出現重症的機會較高,一定要記得施打流感疫苗,提高保護力。另外,家人之間的傳播是流感病毒很重要的傳染模式,學生是傳播流感病毒的重要族群,所以也需要施打流感疫苗。

黃立民醫師強調,接種疫苗後需要一段時間身體才能產生保護力,建議大家要在流感疫情升溫前趕快施打疫苗!

careonline_96
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