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对超低温环境下物质状态的探讨

(2011-03-16 17:03:27)
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杂谈

                        对超低温环境下物质状态的探讨

 

 

    超低温,指比低温更低的温度,在物理学上指低于-100摄氏度的液态空气的温度,当温度再降至-273K左右时,无论是单原子分子(比如氦),还是多原子分子,很多原子轨道外围根本没有绕转电子而成空白。分子在压缩中损失了许多质量和核外电子,由于环境的温度又很低,单个自旋的原子在热运动速度很小时,沿原子自旋的切线方向向外抛射物质。,会使原子按它本身自旋的反方向,在小黄道平面上做高速整体运动,我们称之为“反自旋态”原子. 

  

对超低温环境下物质状态的探讨

 

                                     图1 “反自旋态”原子

 

  图1中 “反自旋态”原子结合成不稳定的液态分子,是在超低温条件下物质存在的主要形式。由于原子外抛物质的瞬时速度要与它反向转动速度以矢量相加,致使原子外抛物质的合成速度很小(相对惯性系),这时原子虽然带有很强的正电性,但电场无法释放。因为原子带正电性,侵入物质缺乏,它们又不能像光量子那样结合有足够大的反冲推力而“远走高飞”,从而表现出种种奇异的性质。

   特别是处在“反自旋态”的氦原子,它们成群结伙地到处寻找依附物,而成为超流体和声波传播速度很低的量子液体。另一方面,处在超低温氦液中的一般固体一般都显负电性,这些氦原子迅速与物体表面形成“游离化学键”,这时氦原子立刻停止了高速反向转动,并释放正电场。在键反冲力推动下,使氦原子取单向自旋沿物体表面爬动。氦膜爬动这种奇怪的现象是1951年由卡美林·奥涅斯首先在试验中发现的。凡是部分侵入氦液中的容器,在1 K时都会有氦自动注入其中,直到容器内外的液面等高为止。 

    当在氦液中放置一个闭合通电导体时,由于氦原子沿导体表面逆正电流方向爬动,其“游离化学键”所释放的正电场足以使导体维持超导态。超导体的原子热振动己十分微弱, 因此, 超导电流所释放的焦耳热ΔQ→O .

  
对超低温环境下物质状态的探讨
 

                                     图2  超导体成为逆磁体

 
   超导体的逆磁现象也特别有趣。在超导温度下,具有“反自旋态”的“磁微子”也会在导体附近很小的空间范围逆负电力线爬动,造成磁力线被排斥在导体之外这一特别的逆磁现象,成为逆磁体,图2所示为阿尔卡迪夫的试验装置,通过它可以得到对超导体抗磁性的极为深刻的印象。在一个浅平的锡碗中,放入一个体积很小但磁性很强的永久磁铁。然后抽出氦浴蒸气,使温度降低到锡出现超导电为止。如果出现了超导电,这块磁铁就会马上离开金属的锡碗表面升起来,而与锡碗保持一定距离悬空不动。这种现象实际上是由于在超导温度时,锡碗突然对空间显负电性,使“磁微子”逆电力线爬动,于是,磁力线在锡碗上方形成闭合磁路,磁力线被排斥出锡碗,造成磁铁上、下磁力线分布的不对称。闭合磁路阻塞了物质从磁铁下方侵入,在磁铁上方侵入物质相对加强时,据反冲力作用原理,磁铁因受力离开锡碗并与重力保持平衡而悬空。 

    然而,在超低温环境下物质的内能真的会变为最小吗? “反自旋态”物质聚集了大量潜在质量的热能。例如,在银河系的星场中,处在各大星团中央地带的“奇点”上,就有大量物质在超低温环境下的聚集。这些面积十分可观的星云,就是人们常说的“黑洞”。“黑洞”这个词是著名美国科学家约翰·维勒在1969年创造出来的。“黑洞”并不黑,而且它的面积还在不断扩大。著名的宇宙学家斯蒂芬·霍金指出了这一点。例如,我们发现在天鹅座X -1号星附近就不止包含着一个“黑洞”。

    在超低温环境中,物质的搅动已经很小了,于是,在“黑洞”弥漫星云的中心逐渐聚集起了包含大量重物质的“胚核”。以后,在适当的激发条件下,就会使原始的弥漫星云再一次发生左和右、新生命的大规模的物质热旋涡运动。在银河系的星场中,这种超新星爆发的事件是随时都在发生着的,有时它们是一个星,有时是左和右旋涡星的“双胞胎”,有时甚至是一大群新星从星云中产生出来。苏联天文学家阿姆巴楚米杨认为:不但恒星的形成过程在银河系中现在还在继续,而且它们还在成批地从不稳定的“星协”中产生出来,并加入到银河系的星场之中。苏联天文学家费森可夫也指出:早期恒星是从旋转速度很快的,而且质量比现在恒星质量大很多的旋涡运动星云中产生出来,在新星形成过程中还伴随着大量物质的抛射…… 

    多年前,高温超导材料的研究一时成为改变工业材料的希望,而今,似乎人们已经看到所谓超导并非如此之超。总之,在超低温环境下,物质的许多热力学特征都与上述“反自旋态”原子的特有的性质有关。由于这种原子的正电场难以释放,因而这种质量聚集的现象是一种潜在的热能,这使得超低温环境中的物质又显得格外活泼.

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