我们真的能够穿墙而过?一个固体是否能以某种方式穿越另一个固体而自由移动?这听起来似乎是天方夜谭,然而,美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员摩西·陈不但认为可以,而且还宣称掌握了这方面的证据。

    他们的研究小组己创造出世界第一种“超固体”——像幽灵一样互相穿过对方的晶体。这一发现与我们日常经验完全矛盾。从来没有人看到过茶杯穿过茶托。由于固体的原子排列方式井然有序,使得固体本身十分坚硬。与液体和气体不同,晶体内的原子排列是固定的。尽管由于热能它们或许会稍微振动,但通常情况下,这不足以令原子移动,造成它们在彼此上面流动。

    然而,物理学家长期以来就预测这条规则有可能被打破。1969年,俄罗斯理论家亚历山大·安德烈夫和伊尔亚·利夫什兹在研究固体属性时就发现可以令固体流动的方式。在某些晶体中,原子之间的联系十分微弱,你甚至可以像海绵一样挤压固体。这种微弱的联系赋予了晶体另一种属性。在接近绝对零度时,晶体的原子仅仅具备产生振动的热能。但对于一些晶体而言,即使这种轻微的活动也足以令原子分裂。这会令晶体的格状结构充满称为“零点空位”的间隙,这些空位是流动的,即使在绝对零度时也是如此。

    晶体间隙也可以具有某种物理属性,这听起来似乎令人费解。但物理学家认为这些空位像原子一样具有能量和质量。它们甚至能在晶体周围活动。安德烈夫和利夫什兹甚至预测到了更奇怪的行为:空位能同步穿过固体,就如同固体“流经”另一固体一样。

    发现“超固体”的线索之所以会出现这种情况,是因为量子力学的特殊本性。量子论称,接近绝对零度时,原子组能够失去其特性并开始像一个巨大的原子一样行动。这些原子不是在气体或液体中任意跳动,相反,它们会浓缩为一种量子状态,并开始步伐一致地活动。

    这一进程的细节取决于一种名为“自旋”粒子的基本属性。根据其自旋的性质,原子分成玻色子和费密子。量子力学表明,两个同样的费密子不能分享同一种量子态,因此,它们不能作为一个实体运动。但玻色子不会面临这种限制。当函数开始重叠时,它们就能以同一能态挤在一起,此时,它们开始像巨大原子一样运动。至少从理论上讲,这意味着由玻色子构成的固体可以相互“穿行”。

    在许多固体身上,这种情况并不会发生,因为就像人们看电影时固定地坐在自己的位置上一样,原子也被“锁定”在其各自的位置上。但安德烈夫和利夫什兹认为,联系微弱的晶体中的原子拥有更多的自由。他们意识到这种情况同样适用于空位,因此,它们也能够自由移动,并浓缩成一个巨大的空位。像幽灵穿墙而过一样,他们预测这种由空位构成的“超固体”也能轻松穿过晶体的其他部分。

    然而,自安德烈夫和利夫什兹做出他们的预测以来,许多研究人员也曾追寻过超固体,最终都无功而返。但科学发现了超固体确实存在的一些线索。20世纪90年代末,加州大学圣迭戈分校的约翰·古德凯德和他的同事在对由氮的同位素氮-3和氮-4构成的晶体进行实验时发现了奇怪的东西。

    实验的结果令人震惊,生成氮晶体并不容易,你不仅需要把液态氮-4转换为固体的冷冻温度,而且还必须将液态氮-4加压到至少25个标准大气压。古德凯德研究小组利用超声波轰击固态氮-4晶体。当研究人员将晶体冷却到接近绝对零度的温度时,他们注意到超声波加快速度。这可能与超固体的构成有关。当声音穿过固体时,会引起原子振动。如果晶体的一部分变成超固体,它将与晶体的剩余部分分离,使超声波传播的速度加快。

    受该研究结果的鼓舞,宾夕法尼亚州立大学的摩西·陈和他的学生金永顺决定在2001年亲自实验。他们将一些固态氮-4放在一个桶里,悬挂在绳上,先是让其以顺时针方向旋转,然后在冷冻过程中,以每秒1000次的速度逆时针旋转。该实验能让研究人员了解固态氮-4在非常低的温度下快速振动时出现的状况。