ของเหลวยิ่งยวด: เอฟเฟกต์ควอนตัมลึกลับที่กลายเป็นแกนหลักของฟิสิกส์เชิงทดลอง - โลกฟิสิกส์

ของเหลวยิ่งยวด: เอฟเฟกต์ควอนตัมลึกลับที่กลายเป็นแกนหลักของฟิสิกส์เชิงทดลอง - โลกฟิสิกส์

Time Stamp: 14 กุมภาพันธ์ 2024 6:00 น.

ฮามิช จอห์นสตัน ความคิดเห็น ของเหลวยิ่งยวด: ควอนตัมของไหลปฏิวัติวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ได้อย่างไร โดย จอห์น ไวเซนด์

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics-physics-world-3.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics-physics-world-3.jpg" data-caption="แปลกสุดๆ คุณสมบัติหลายประการของฮีเลียม II รวมถึงค่าการนำความร้อนพิเศษ สามารถอธิบายได้โดยใช้แบบจำลองของไหลสองตัว (เอื้อเฟื้อโดย: iStock/3quarks)”> ความประทับใจของศิลปินต่อของเหลวยิ่งยวด
แปลกสุดๆ คุณสมบัติหลายประการของฮีเลียม II รวมถึงค่าการนำความร้อนที่ไม่ธรรมดา สามารถอธิบายได้โดยใช้แบบจำลองของไหลสองตัว (เอื้อเฟื้อโดย: iStock/3quarks)

ผลกระทบของกลศาสตร์ควอนตัมมีอยู่รอบตัวเรา แต่คุณสมบัติควอนตัมของสสารโดยทั่วไปจะปรากฏให้เห็นในระดับจุลภาคเท่านั้น ฮีเลียมซุปเปอร์ฟลูอิดเป็นข้อยกเว้น และลักษณะบางอย่างที่แปลกประหลาดของมันสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า เช่น จอห์น ไวเซนด์ – วิศวกรที่ แหล่งที่มาของ European Spallation และ มหาวิทยาลัย Lund – อธิบายไว้ในหนังสือของเขา ซุปเปอร์ฟลูอิดคุณสมบัติเหล่านี้ทำให้สารประหลาดนี้เป็นองค์ประกอบสำคัญของเทคโนโลยีล้ำสมัยมากมาย นักวิจัยและวิศวกรใช้ฮีเลียม superfluid ในปริมาณหลายตันในปัจจุบัน ห่างไกลจากความอยากรู้อยากเห็นทางวิทยาศาสตร์

ในหนังสือของเขาซึ่งฉันชอบอ่าน Weisend สำรวจว่าฮีเลียม superfluid มีบทบาทสำคัญในการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญที่สุดในรอบ 100 ปีที่ผ่านมาอย่างไร รวมถึงการค้นพบฮิกส์โบซอนที่ เซิร์น และความไม่สอดคล้องกันของรังสีไมโครเวฟพื้นหลังคอสมิก ซึ่งทั้งสองอย่างนี้นำไปสู่การได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์

ในขณะที่ ซุปเปอร์ฟลูอิด มีจุดมุ่งหมายไปที่ผู้ที่ไม่ใช่นักฟิสิกส์ ฉันพบว่ามีหลายสิ่งหลายอย่างที่ฉันสนใจในฐานะคนที่มีพื้นฐานด้านฟิสิกส์สสารควบแน่น แท้จริงแล้ว Weisend ก้าวไปไกลกว่าฟิสิกส์ และให้คำอธิบายที่ชัดเจนและกระชับว่าวิศวกรใช้ฮีเลียม superfluid ในการทดลองทางวิทยาศาสตร์อย่างไร หนังสือเล่มนี้แสดงโดยใช้ภาพวาดทางเทคนิคต้นฉบับ ซึ่งให้ความรู้สึกอบอุ่นและอิงประวัติศาสตร์

ฮีเลียมเหลวและการกำเนิดของไครโอเจนิกส์

คุณสมบัติแปลกๆ ของ superfluid ฮีเลียม-4 (หรือที่เรียกว่าฮีเลียมเหลว II) เกิดขึ้นเนื่องจากกฎควอนตัมที่ควบคุมความสมมาตรของฟังก์ชันคลื่นของอะตอมฮีเลียม อิเล็กตรอนซึ่งเป็นเฟอร์มิออนไม่สามารถมีสถานะควอนตัมเดียวกันได้ แต่อะตอมของฮีเลียม-4 จะไม่เหมือนกัน เมื่อทำความเย็นให้ต่ำกว่าประมาณ 2 K อะตอมจำนวนมากสามารถมีสถานะพลังงาน (พื้นดิน) ต่ำที่สุดได้

เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น อะตอมจะก่อตัวเป็นของเหลวยิ่งยวด ของเหลวยิ่งยวดสามารถไหลขึ้นเนินและผ่านช่องเปิดเล็กๆ ได้ นำความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากและจะไม่เดือดเหมือนของเหลวทั่วไป Weisend อธิบายว่าคุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ฮีเลียม II มีประโยชน์อย่างมากในการทำความเย็นสิ่งต่างๆ ให้มีอุณหภูมิต่ำมาก

หนังสือเล่มนี้แสดงโดยใช้ภาพวาดทางเทคนิคต้นฉบับ ซึ่งให้ความรู้สึกอบอุ่นและอิงประวัติศาสตร์

ซุปเปอร์ฟลูอิด เริ่มต้นในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 ด้วยการแข่งขันเพื่อทำให้ก๊าซกลายเป็นของเหลว เช่น ออกซิเจน ไนโตรเจน และไฮโดรเจน ซึ่งเป็นการแข่งขันที่สร้างสนามไครโอเจนิกส์สมัยใหม่ ฮีเลียมกลายเป็นสิ่งที่ท้าทายเนื่องจากอุณหภูมิจุดเดือดที่ 4.2 K นั้นต่ำกว่าก๊าซอื่นๆ มาก นอกจากนี้ ฮีเลียมยังถูกแยกเดี่ยวบนโลกในปี พ.ศ. 1895 และขาดแคลนจนถึงปี พ.ศ. 1903 เมื่อพบฮีเลียมในก๊าซธรรมชาติ

แต่ความก้าวหน้าเกิดขึ้นในปี 1908 เมื่อนักฟิสิกส์ชาวดัตช์ Heike Kamerlingh Onnes กลายเป็นคนแรกที่ทำให้ฮีเลียมกลายเป็นของเหลว จากนั้น Onnes ก็ใช้การค้นพบของเขาในการทำให้วัสดุต่างๆ เย็นลงและวัดคุณสมบัติของพวกมัน ซึ่งนำไปสู่การค้นพบความเป็นตัวนำยิ่งยวดในปี 1911 เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1913 จากผลงานของเขาในด้านไครโอเจนิกส์

คำแนะนำของความเป็นของเหลวยิ่งยวดอาจถูกตรวจพบโดย Onnes เมื่อเขาเห็นหลักฐานของการเปลี่ยนสถานะในฮีเลียมเหลวในขณะที่สารเย็นตัวลง แม้ว่าการทดลองจะประสบความสำเร็จในช่วงแรก แต่ก็ยังยากที่จะทำให้ฮีเลียมกลายเป็นของเหลวจนกระทั่งเข้าสู่ทศวรรษที่ 1930 เมื่อมีการวัดคุณสมบัติของเหลวยิ่งยวดที่มีความหนืดเป็นศูนย์เป็นครั้งแรก สิ่งนี้ทำโดยทั้งนักฟิสิกส์ชาวโซเวียต Piotr Kapitza และนักวิจัยชาวแคนาดาอย่าง Jack Allen และ Don Misener ในการเคลื่อนไหวที่ไม่ได้รับการอภัยจากนักฟิสิกส์ชาวแคนาดาบางคน รวมถึงผู้วิจารณ์คนนี้ มีเพียง Kapitza เท่านั้นที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1978 จากการค้นพบนี้

ลักษณะที่น่าสนใจที่สุดประการหนึ่งของฮีเลียม II ก็คือคุณสมบัติพิเศษและมีประโยชน์หลายประการของฮีเลียม II สามารถเข้าใจได้โดยใช้แบบจำลองที่ค่อนข้างง่ายซึ่งอธิบายว่าฮีเลียมมีส่วนประกอบของไหลยิ่งยวดและของเหลวปกติ แบบจำลองของเหลวสองตัวนี้ได้รับการพัฒนาในช่วงปลายทศวรรษที่ 1930 โดย Fritz London และ Laszlo Tisza ชาวฮังการี โดยกำเนิดในเยอรมนี และอธิบายได้ดีอย่างน่าทึ่งว่าฮีเลียม II ถ่ายโอนความร้อนและมวลอย่างไร และ Weisend ก็อธิบายทั้งสองได้อย่างดีเยี่ยมเช่นกัน - แบบจำลองของไหลในหนังสือของเขา

คำอธิบายทางกลควอนตัมเต็มรูปแบบของฮีเลียม II ได้รับการพัฒนาโดยนักฟิสิกส์ทฤษฎีโซเวียต Lev Landau ในปี 1941 ซึ่งเขาได้รับรางวัลโนเบลในปี 1962 Weisend อธิบายทฤษฎีนี้ว่าเข้าใจยากและอย่างชาญฉลาดไม่ได้พยายามอธิบายเชิงลึก ในหนังสือของเขา

รักษาความเย็น

ในขณะที่นักฟิสิกส์มีความเข้าใจที่ดีเกี่ยวกับฮีเลียม II ภายในทศวรรษ 1940 จนกระทั่งทศวรรษ 1960 เมื่อนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรเริ่มใช้คุณสมบัติเฉพาะตัวของสารนี้ และวิศวกรก็อุทิศส่วนสำคัญให้กับ ซุปเปอร์ฟลูอิด ไปยังแอปพลิเคชันเหล่านี้ เขาอธิบายว่าคุณลักษณะที่มีประโยชน์ที่สุดสองประการของฮีเลียม II คืออุณหภูมิที่ต่ำมากและการนำความร้อนได้สูงมาก ซึ่งสาเหตุหลังเกิดจากปรากฏการณ์พิเศษที่เรียกว่า "การพาความร้อนภายใน"

เมื่อฮีเลียม II อยู่ในช่วงไล่ระดับอุณหภูมิ ส่วนประกอบปกติของของไหลจะเคลื่อนออกจากบริเวณที่ร้อน ในขณะที่ส่วนประกอบของไหลยิ่งยวดจะเคลื่อนที่เข้าหาบริเวณนั้น Weisend อธิบายว่ากระบวนการนี้ทำให้ฮีเลียม II เป็นตัวนำความร้อนที่น่าทึ่ง โดยมีประสิทธิภาพในการขจัดความร้อนมากกว่าทองแดงเกือบ 1000 เท่า ข้อดีอีกประการหนึ่งของการพาความร้อนภายในคือความร้อนถูกขนส่งอย่างรวดเร็วจนฟองไม่สามารถก่อตัวในฮีเลียม II ในขณะที่อุ่นขึ้น ดังนั้นจึงไม่มีอันตรายจากการเดือดที่ระเบิดได้

แม้จะมีคุณสมบัติควอนตัมแปลกๆ แต่ฮีเลียม II ก็ไหลผ่านท่อขนาดใหญ่เหมือนกับของไหลทั่วไป ดังนั้นจึงค่อนข้างจะจัดการได้ง่าย อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบของไหลซุปเปอร์ฟลูอิดสามารถผ่านรูเล็กๆ ได้อย่างง่ายดายมาก ในขณะที่ของเหลวปกติไม่สามารถผ่านได้ ผลลัพธ์ที่ได้คือ “เอฟเฟกต์น้ำพุ” ซึ่งสามารถใช้ในการปั๊มฮีเลียม II โดยไม่ต้องใช้กลไกใดๆ

ผลที่สุดคือฮีเลียม II สามารถทำให้วัสดุหลายประเภทเย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่กลายเป็นตัวนำยิ่งยวดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตัวนำยิ่งยวดสามารถนำกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ได้โดยไม่ต้องให้ความร้อน และ Weisend พิจารณาการใช้งานตัวนำยิ่งยวดที่ระบายความร้อนด้วยฮีเลียม II สองรายการที่ประสบผลสำเร็จในหนังสือของเขา

จากใต้ดินสู่อวกาศ

สิ่งแรกที่ปรากฏคือช่องความถี่วิทยุตัวนำยิ่งยวด (SRF) ซึ่งได้รับการพัฒนาในทศวรรษ 1960 เพื่อเร่งอนุภาคที่มีประจุ ช่อง SRF นั้นเป็นห้องในท่อตัวนำยิ่งยวดที่สะท้อนกับสัญญาณ RF เมื่อพลังงาน RF ถูกสูบเข้าไปในโพรง สนามไฟฟ้าสั่นขนาดใหญ่จะถูกสร้างขึ้นตามแนวท่อ หากมีการนำอนุภาคที่มีประจุเข้าไปในคาวิตี้ในเวลาที่เหมาะสม อนุภาคนั้นจะถูกเร่งขึ้น อันที่จริง เมื่อหลายช่องเชื่อมต่อกัน ความเร่งที่สูงมากก็สามารถเกิดขึ้นได้

Helium II สามารถทำให้วัสดุหลายประเภทเย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่กลายเป็นตัวนำยิ่งยวดได้อย่างมีประสิทธิภาพ

Weisend อธิบายว่างานบุกเบิกเกี่ยวกับ SRF เกิดขึ้นได้อย่างไร มหาวิทยาลัย Stanford ในสหรัฐอเมริกา ซึ่งเครื่องเร่งตัวนำยิ่งยวดของสแตนฟอร์ดถูกสร้างขึ้นในทศวรรษ 1960 หนังสือเล่มนี้ยังบรรยายถึงวิธีที่นักวิทยาศาสตร์สร้างโลกในช่วงทศวรรษ 1980 สิ่งอำนวยความสะดวกเครื่องเร่งลำแสงอิเล็กตรอนแบบต่อเนื่อง (CEBAF) ในสหรัฐอเมริกาละทิ้งแผนการเร่งความเร็วของอุณหภูมิห้อง และใช้โอกาสกับ SRF ที่ระบายความร้อนด้วยฮีเลียม II ในทศวรรษ 1990 เครื่องเร่งเชิงเส้นตัวนำยิ่งยวดพลังงานไฟฟ้าของ Tera Electron Volt โครงการ (TESLA) ที่ DESY ในเยอรมนีเป็นแรงผลักดันในการพัฒนา SRF สำหรับ International Linear Collider (ILC) ซึ่งอาจเป็นผู้สืบทอดต่อจาก Large Hadron Collider (LHC)

ในระหว่างนี้ ห้องปฏิบัติการอื่นๆ หลายแห่งได้ใช้ SRF ที่ระบายความร้อนด้วยฮีเลียม II ซึ่งรวมถึง CERN นอกจากการทำความเย็น SRF ที่ CERN แล้ว แม่เหล็กของ LHC ยังถูกทำให้เย็นโดยใช้ฮีเลียม II Weisend ชี้ให้เห็นว่าเทคโนโลยีทำความเย็นด้วยแม่เหล็กที่ใช้ใน CERN และห้องปฏิบัติการอื่น ๆ ได้รับการบุกเบิกสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกันมาก นั่นคือภารกิจในการสร้างนิวเคลียร์ฟิวชันในพลาสมาไฮโดรเจนที่ถูกจำกัดด้วยสนามแม่เหล็ก สิ่งนี้ทำที่ Tore Supra ซึ่งเป็นโทคามักของฝรั่งเศสที่ดำเนินการตั้งแต่ปี 1988 ถึง 2010 และตั้งแต่นั้นมาก็ได้รับการอัปเกรดและเปลี่ยนชื่อเป็น WEST. Tokamak ตั้งอยู่ที่ Cadarache ซึ่งปัจจุบันเครื่องสาธิตพลังงานฟิวชั่น ITER กำลังถูกสร้างขึ้นด้วยแม่เหล็กที่จะระบายความร้อนด้วยฮีเลียมเหลวปกติ แทนที่จะเป็นฮีเลียม II

ความสำเร็จทางวิศวกรรมที่ยอดเยี่ยมอีกอย่างหนึ่งที่ Weisend กล่าวถึงในรายละเอียดก็คือ ดาวเทียมดาราศาสตร์อินฟราเรด (IRAS) ซึ่งเปิดตัวในปี 1983 และเป็นการใช้ฮีเลียม II ครั้งแรกในอวกาศอย่างมีนัยสำคัญ Weisend อธิบายว่านักออกแบบของ IRAS เอาชนะความท้าทายที่สำคัญได้อย่างไร รวมถึงการพัฒนาวิธีระบายไอฮีเลียมเมื่อผสมกับหยดของเหลวในสภาพแวดล้อมที่มีแรงโน้มถ่วงต่ำ

IRAS รักษาความเย็นยิ่งยวดไว้เป็นเวลา 300 วันในขณะที่ค้นพบวัตถุอินฟราเรดจำนวนมาก ความสำเร็จเป็นแรงบันดาลใจให้กับภารกิจในอนาคตที่ใช้ฮีเลียม II รวมถึง Cosmic Background Explorer (COBE) สิ่งนี้เปิดตัวในปี 1989 และส่งผลให้ George Smoot และ John Mather ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2006 จากการค้นพบแอนไอโซโทรปีของพื้นหลังไมโครเวฟในจักรวาล

เช่นเดียวกับการมองอดีตและปัจจุบันของฮีเลียม II ซุปเปอร์ฟลูอิด มองไปสู่อนาคต Weisend ชี้ให้เห็นว่ายุคของฮีเลียม II ในอวกาศน่าจะจบลงแล้วเนื่องจากการพัฒนาเครื่องทำความเย็นแบบกลไกที่สามารถเข้าถึงอุณหภูมิที่ต่ำมากได้ นอกจากนี้เขายังกล่าวถึง superfluid ฮีเลียมอีกตัวหนึ่ง นั่นคือฮีเลียม-3 และวิธีการใช้ร่วมกับฮีเลียม II เพื่อทำให้สิ่งของเย็นลงจนถึงอุณหภูมิต่ำมากในตู้เย็นแบบเจือจาง

แม้ว่าเราอาจไม่ได้ปล่อยซุปเปอร์ฟลูอิดออกสู่อวกาศอีกต่อไป แต่ Weisend ก็แสดงให้เห็นชัดเจนว่ายังมีการใช้งานอีกมากมายบนโลกในอนาคต แท้จริงแล้ว โรงไฟฟ้าฟิวชันระบายความร้อนด้วยฮีเลียม II สามารถช่วยลดการปล่อยคาร์บอนในเศรษฐกิจได้ และในไม่ช้า เครื่องเร่งความเร็วรุ่นต่อไปก็อาจทำให้เราเห็นมุมมองของฟิสิกส์ที่นอกเหนือไปจากแบบจำลองมาตรฐานได้

  • สปริงเกอร์ปี 2023 150 ต่อ 29.99 ดอลลาร์สหรัฐฯ

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์