当时的困境
1937 年底至 1938 年初,莫斯科的卡皮察与剑桥的艾伦、迈斯纳几乎同时发现:液氦冷却到 2.17 K 以下会变成一种怪异的流体——粘滞几乎完全消失,能钻过细到头发丝千分之一的缝隙,甚至沿着杯壁自己「爬」出容器。两篇论文在《自然》上背靠背发表,「超流」有了名字,却没有解释。一种没有摩擦的液体,在经典物理看来近乎永动机;而对 10²³ 个相互作用的原子逐个求解量子力学方程,又是毫无希望的死路。物理学需要一种全新的提问方式。
洞见时刻
1941 年,朗道给出了那个提问方式:低温下真正重要的不是单个原子在做什么,而是整团液体能发生哪些集体运动——而这些集体运动是量子化的。他称之为「元激发」:声子(声波的量子)和旋子。温度越低,元激发越少;当流速低于某个临界值,流动根本无法产生新的激发,也就无从损耗能量——粘滞因此为零。整团液氦于是可以看成两种互相渗透的流体:由元激发构成的「正常成分」和畅行无阻的「超流成分」。这套理论还预言了液氦中以波的形式传播的温度起伏——「第二声」,几年后被实验精确证实。
涟漪效应
比解释超流更深远的,是这套方法本身。「别管每个粒子,只管激发」——准粒子从此成为凝聚态物理的通用语言:半导体里的「空穴」、超导体里的库珀对、磁体里的磁振子,都是同一思路的后代。沿着这条路,金兹堡-朗道理论给出了描述超导的方程,朗道的费米液体理论解释了金属中亿万电子为何表现得像少数「准电子」。朗道本人因液氦理论获 1962 年诺贝尔物理学奖,而「凝聚态物理」最终成长为当今物理学中从业人数最多的分支。
如果没有它
医院里 MRI 扫描仪的核心是浸泡在液氦中的超导磁体;LHC 加速器的上万块磁铁靠 1.9 K 的超流氦维持低温——没有对超流与超导的理解,这些机器无从谈起。芯片工程师每天用「电子与空穴」来设计晶体管,量子计算机的超导量子比特同样构筑在这套图像之上。抽掉准粒子这门语言,现代凝聚态物理和半导体工业的大半本词典都会变成空白页。