超流态——没有粘度的流动模型，通过理论和动图解释！

在4开尔文时，氦凝结成一种类似于水或任何其他液体的液体。在2开尔文时，氦变成了超流体，它的性质与我们能创造的任何其他流体都不同。

超流氦最奇怪的特性之一是它的粘度为零。流动的液体的粘度会阻碍它的流动，例如，搅拌的咖啡最终会停止旋转。超流氦的粘度为零，它会自发地产生无阻力旋转的漩涡。

在结物理学中，超流体是由分支的时空流形的性质引起的。

分支时空

我们将在结物理学中描述量子力学的几个方面，以理解超流体。在纽结物理学中，时空是一个分支流形。分支的时空流形允许多个状态的量子叠加，其中每个分支都是量子态。

时空的分支会随机分裂和重组。

• 在左边，我们展示了分支的时空流形，它由大量但有限数量的分支组成。在右边，我们可以看到分支的时空流形与一个分支重组的例子。

• 为了简单起见，我们将用一维线来表示时空的分支。在左边，我们展示了时空分支的简化版本。在右边，我们展示了一个分支重组的例子。

基本的费米子（比如电子和夸克）是时空流形上的结。费米子由时空的每个分支上的一个结组成。所有的节点都处于叠加状态，这就是费米子的量子波函数。

为了使两个分支重新组合，每个重新组合分支上的节点必须匹配。

• 我们展示了一个基本的费米子，它在时空的每个分支上都有一个结。在左边，我们看到一对配对的结。在右边，两个分支重新组合，这样配对的结重新组合成一个结。

原子是由费米子组成的，所以一个原子在时空的每个分支上都有一个“结”。我们将原子的每个结称为原子结。为了让两个分支重新组合，每个重新组合分支上的原子结必须匹配。

• 该图表示一个氦原子，每个分支上有一个氦原子结。在左边，我们看到一对匹配的原子结。在右边，两个分支重新组合，使匹配的一对原子结重新组合成一个原子结。

如果有N个原子，那么每个分支有N个原子结。

• 我们展示了三个氦原子。每个氦原子在每个分支上都有一个原子结。在右边，两个分支重新组合，使一对匹配的原子结重新组合成一个原子结。

在结物理学中，时空的分支必须经常重新组合。这是因为分支重组具有熵，当分支频繁重组时，分支重组熵最大。具体来说，重组分支上原子结的位置和动量必须匹配。

是由位于时空分支上的一种特殊类型的原子流产生的。在构造这个流类型时，我们将使用这样一个事实：重组分支上的原子结的位置和动量必须经常匹配。

超流

超体流

原子由位于时空分支上的原子结组成。如果原子是一种流体，那么原子结可以流动，而这些原子结流动的方式就是它们的流类型。我们用三种基本的流动类型构造了一个超流体流动类型。每个基本流类型描述单个分支上的原子结流。

在第一种基本流类型中，原子结相对于其容器处于静止状态。

在第二种基本流类型中，原子结相对于其容器以恒定的速度移动。

在第三种基本流类型中，原子结以可变的速度移动。这个变速运动可以被描述为恒定运动加上纵波。

时空的分支必须经常重新组合。对于要重新组合的分支，重新组合的分支上的原子实例的位置和动量必须匹配。

显然，前两种基本流类型不能彼此重新组合。那些基本流类型上的原子结的动量永远不会匹配。

然而，第一种基本流类型可以与第三种流类型重新组合。这种重组包括这样的转换，即在分支重组之前，第三个流类型相对于第一个流类型进行转换。

• 我们展示了第一个流类型（上）和第三个流类型（下）的重新组合。垂直运动不是字面意义上的运动，它只表示分支的分裂和重组。

• 我们再次展示了第一和第三个流类型之间的分支重组，但是在这个动画中，我们展示了整个分支的重组。为了简单起见，我们将在下面的动画中使用整个分支的重新组合，但是要记住，重新组合也可以只在一个小区域中发生，就像在前面的动画中一样。

第三种基本流类型也可以与第二种流类型重新组合。

• 我们展示了第三种基本流类型（上）和第二种基本流类型（下）的组合。

这三种基本流类型的组合是可行的，因为它允许频繁的分支重组。我们称这种组合为超流体流动类型。

• 我们展示了超流体的流动类型。第三种基本流类型（中间）与第一种基本流类型（顶部）和第二种基本流类型（底部）重新组合。

超流体流动类型有处于静止状态的原子结、处于恒定运动状态的原子结和在这些速度之间交替变化的原子结。超流体流动类型是一种量子叠加，包括静止的流体状态和运动的流体状态。

我们现在解释了为什么超流体流动类型只能在非常低的温度下发生。

温度

超流体流动类型取决于第三种流动类型相对于第一种流动类型的平移。通过考虑温度对分支重组的影响，我们可以看到平移是如何依赖于温度的。

当分支重新组合时，原子结的位置和动量必须匹配。原子结的温度影响它们的动量，但是即使原子结是热的，分支也可以重新组合。在分支分离之后，原子结的动量与它刚刚分离的原子结的动量相匹配，从而允许分支重新组合。

当然，冷原子结也可以以这种方式重新组合。

冷原子结有另一种重组模式，其中包括转换。

转换对于热原子结是不可能的，因为在转换之后原子结的动量不匹配。

• 对于热原子，原子结的不匹配动量阻止了平移后的分支重组。

我们记得，超流体流动类型需要平移。由于热阻止了已转换的分支的重新组合，因此只有在非常低的温度下才有可能构造超流体流动类型。

我们现在解释为什么超流体流动类型必须具有零粘度。

粘度

粘度是指流体运动的动能转化为热能的过程。我们可以证明超流体的流动类型阻止了这种能量耗散。

首先，我们回顾一下，只有当原子结具有匹配动量时，分支才能重新组合。这意味着热原子实例不能与冷原子实例重新组合。

• 这里我们展示了一对不可能的分支。它们有不同温度的原子结。因为这个原因，分支不能重组。不能频繁重组的分支被分支重组熵所抑制。

我们现在考虑组成超流体流类型的三种基本流类型：

• 第一种流类型有静止的原子结；
• 第二种流类型有匀速的原子结；
• 第三种流类型有变速的原子结。

第一种流动类型不能将动能转化为热能，因为原子结没有运动，也没有动能。假设第二种或第三种流型的原子结能够消散动能并变热。热原子结将不再能够与第一个流类型的冷原子结重新组合。这样，这三个分支就不能再频繁地重新合并了。

分支重组熵要求分支频繁重组。因此，所有三种基本流类型的原子结例都保持冷状态，以便频繁地彼此重新组合。所有的原子结都不能将它们的运动动能转化为热，这就意味着超流体流动类型的粘度为零。

在纽结物理学中，超流体是由于不同流体类型在时空流形分支上的相互作用而产生的。通过理解这些相互作用，我们看到超流体流动类型允许流动，但没有粘度。因此，超流体流动时没有阻力。