Χάμις Τζόνστον αξιολογήσεις Υπερρευστό: Πώς ένα κβαντικό ρευστό έφερε επανάσταση στη σύγχρονη επιστήμη από τον John Weisend
Τα αποτελέσματα της κβαντικής μηχανικής είναι παντού γύρω μας, αλλά οι κβαντικές ιδιότητες της ύλης είναι γενικά εμφανείς μόνο σε μικροσκοπικό επίπεδο. Το υπερρευστό ήλιο αποτελεί εξαίρεση και μερικά από τα περίεργα χαρακτηριστικά του μπορούν να φανούν με γυμνό μάτι. Οπως και Τζον Βάιζεντ – μηχανικός στο Ευρωπαϊκή Πηγή Spallation και Lund University – εξηγεί στο βιβλίο του Υπερρευστό, αυτές οι ιδιότητες έχουν καταστήσει αυτήν την περίεργη ουσία βασικό συστατικό πολλών τεχνολογιών αιχμής. Το υπερρευστό ήλιο, πολύ μακριά από το να αποτελεί επιστημονική περιέργεια, χρησιμοποιείται από ερευνητές και μηχανικούς σε ποσότητες πολλών τόνων σήμερα.
Στο βιβλίο του, το οποίο μου άρεσε να διαβάζω, ο Weisend διερευνά πώς το υπερρευστό ήλιο έπαιξε σημαντικό ρόλο σε μερικές από τις πιο σημαντικές επιστημονικές ανακαλύψεις των τελευταίων 100 ετών. Αυτές περιλαμβάνουν τις ανακαλύψεις του μποζονίου Higgs στο CERN και τις ανομοιογένειες στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων – που και οι δύο οδήγησαν στα βραβεία Νόμπελ φυσικής.
Ενώ Υπερρευστό που απευθύνεται σε μη φυσικό, ανακάλυψα ότι υπήρχαν πολλά να με ενδιαφέρουν ως κάποιος με υπόβαθρο στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης. Πράγματι, ο Weisend πηγαίνει πολύ πέρα από τη φυσική και παρέχει μια σαφή και συνοπτική περιγραφή του τρόπου με τον οποίο το υπερρευστό ήλιο χρησιμοποιείται από μηχανικούς σε επιστημονικά πειράματα. Το βιβλίο είναι εικονογραφημένο χρησιμοποιώντας πρωτότυπα τεχνικά σχέδια, που του δίνουν μια ζεστή και ιστορική αίσθηση.
Υγρό ήλιο και η γέννηση της κρυογονικής
Οι παράξενες ιδιότητες του υπερρευστού ηλίου-4 (γνωστό και ως υγρό ήλιο II) προκύπτουν λόγω των κβαντικών κανόνων που διέπουν τη συμμετρία των κυματοσυναρτήσεων των ατόμων ηλίου. Τα ηλεκτρόνια, που είναι φερμιόνια, δεν μπορούν να καταλάβουν την ίδια κβαντική κατάσταση, αλλά δεν ισχύει το ίδιο για τα άτομα ηλίου-4. Όταν ψύχονται κάτω από περίπου 2 K, μεγάλοι αριθμοί ατόμων μπορούν να καταλαμβάνουν τη χαμηλότερη ενεργειακή (βασική) κατάσταση.
Όταν συμβεί αυτό, τα άτομα σχηματίζουν ένα υπερρευστό. Τα υπερρευστά μπορούν να ρέουν ανηφορικά και μέσα από πολύ μικρά ανοίγματα, μεταφέρουν τη θερμότητα πολύ αποτελεσματικά και δεν θα βράσουν όπως τα συμβατικά υγρά. Ο Weisend εξηγεί ότι αυτές οι ιδιότητες καθιστούν το ήλιο II εξαιρετικά χρήσιμο για την ψύξη των πραγμάτων σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες.
Το βιβλίο είναι εικονογραφημένο χρησιμοποιώντας πρωτότυπα τεχνικά σχέδια, που του δίνουν μια ζεστή και ιστορική αίσθηση
Υπερρευστό ξεκινά στα τέλη του 19ου αιώνα με τον αγώνα ρευστοποίησης αερίων όπως το οξυγόνο, το άζωτο και το υδρογόνο – ένας αγώνας που δημιούργησε το σύγχρονο πεδίο της κρυογονικής. Το ήλιο αποδείχθηκε πρόκληση επειδή η θερμοκρασία βρασμού του 4.2 Κ είναι πολύ χαμηλότερη από άλλα αέρια. Επιπλέον, το ήλιο απομονώθηκε στη Γη μόλις το 1895 και ήταν σε έλλειψη μέχρι το 1903, όταν βρέθηκε στο φυσικό αέριο.
Αλλά μια σημαντική ανακάλυψη ήρθε το 1908 όταν ο Ολλανδός φυσικός Heike Kamerlingh Onnes έγινε ο πρώτος που ρευστοποίησε το ήλιο. Στη συνέχεια, ο Onnes χρησιμοποίησε τα ευρήματά του για να ψύξει διάφορα υλικά και να μετρήσει τις ιδιότητές τους, κάτι που οδήγησε στην ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας το 1911. Κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής του 1913 για το έργο του στην κρυογονική.
Thomas Kuhn: νέες ιδέες για έναν επαναστατικό φιλόσοφο της επιστήμης
Ενδείξεις υπερρευστότητας μπορεί να εντοπίστηκαν από τον Onnes όταν είδε στοιχεία μετάβασης φάσης σε υγρό ήλιο καθώς η ουσία ψύχθηκε. Όμως, παρά την αρχική αυτή πειραματική επιτυχία, παρέμεινε δύσκολο να ρευστοποιηθεί το ήλιο μέχρι τη δεκαετία του 1930, όταν μετρήθηκε για πρώτη φορά η υπερρευστή ιδιότητα του μηδενικού ιξώδους. Αυτό έγινε τόσο από τον Σοβιετικό φυσικό Piotr Kapitza όσο και ανεξάρτητα από τους Καναδούς ερευνητές Jack Allen και Don Misener. Σε μια κίνηση που δεν έχει συγχωρεθεί από ορισμένους Καναδούς φυσικούς, συμπεριλαμβανομένου αυτού του κριτή, μόνο ο Kapitza τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής του 1978 για την ανακάλυψη.
Μία από τις πιο συναρπαστικές πτυχές του ηλίου II είναι ότι πολλές από τις μοναδικές και χρήσιμες ιδιότητές του μπορούν να γίνουν κατανοητές χρησιμοποιώντας ένα σχετικά απλό μοντέλο που το περιγράφει ως με υπερρευστά και κανονικά ρευστά συστατικά. Αυτό το μοντέλο δύο ρευστών αναπτύχθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1930 από τον γερμανικής καταγωγής Fritz London και τον Ούγγρο Laszlo Tisza και είναι εξαιρετικά καλό στο να εξηγεί πώς η θερμότητα και η μάζα μεταφέρονται από το ήλιο II – και ο Weisend κάνει επίσης εξαιρετική δουλειά στην περιγραφή των δύο -ρευστό μοντέλο στο βιβλίο του.
Η πλήρης κβαντομηχανική περιγραφή του ηλίου II αναπτύχθηκε από τον σοβιετικό θεωρητικό φυσικό Lev Landau το 1941, για τον οποίο κέρδισε το βραβείο Νόμπελ το 1962. Ο Weisend περιγράφει τη θεωρία ως δυσνόητη και σοφά δεν επιχειρεί μια εις βάθος εξήγηση στο βιβλίο του.
Κρατώντας δροσερό
Ενώ οι φυσικοί είχαν καλή κατανόηση του ηλίου II μέχρι τη δεκαετία του 1940, μόλις τη δεκαετία του 1960 άρχισαν να εκμεταλλεύονται οι μοναδικές ιδιότητες της ουσίας από επιστήμονες και μηχανικούς – και ο Weisend αφιερώνει πολλά Υπερρευστό σε αυτές τις εφαρμογές. Εξηγεί ότι τα δύο πιο χρήσιμα χαρακτηριστικά του ηλίου II είναι η πολύ χαμηλή του θερμοκρασία και η πολύ υψηλή θερμική αγωγιμότητα, η τελευταία οφείλεται σε ένα μοναδικό φαινόμενο που ονομάζεται «εσωτερική μεταφορά».
Όταν το ήλιο II βρίσκεται σε βαθμίδα θερμοκρασίας, το κανονικό συστατικό του ρευστού απομακρύνεται από την θερμή περιοχή, ενώ το υπερρευστό συστατικό κινείται προς αυτήν. Ο Weisend εξηγεί ότι αυτή η διαδικασία κάνει το ήλιο II έναν απίστευτο θερμικό αγωγό – είναι σχεδόν 1000 φορές πιο αποτελεσματικό από τον χαλκό στην απομάκρυνση της θερμότητας. Ένα άλλο πλεονέκτημα της εσωτερικής μεταφοράς είναι ότι η θερμότητα μεταφέρεται τόσο γρήγορα που δεν μπορούν να σχηματιστούν φυσαλίδες στο ήλιο II καθώς θερμαίνεται, επομένως δεν υπάρχει κίνδυνος εκρηκτικού βρασμού.
Παρά τις περίεργες κβαντικές ιδιότητές του, το ήλιο II ρέει μέσα από μεγάλους σωλήνες όπως ένα κανονικό ρευστό, επομένως είναι σχετικά απλός ο χειρισμός του. Ωστόσο, το υπερρευστό συστατικό μπορεί να περάσει πολύ εύκολα μέσα από μικροσκοπικούς πόρους, ενώ το κανονικό υγρό δεν μπορεί. Το αποτέλεσμα είναι το «φαινόμενο σιντριβάνι», το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την άντληση ηλίου II χωρίς μηχανικά μέσα.
Το αποτέλεσμα είναι ότι το ήλιο II μπορεί πολύ αποτελεσματικά να ψύχει ένα ευρύ φάσμα υλικών σε θερμοκρασίες στις οποίες γίνονται υπεραγώγιμα. Οι υπεραγωγοί μπορούν να μεταφέρουν μεγάλα ηλεκτρικά ρεύματα χωρίς να θερμαίνονται και ο Weisend εξετάζει δύο πολύ γόνιμες εφαρμογές υπεραγωγών που ψύχονται με ήλιο II στο βιβλίο του.
Από το υπόγειο στο διάστημα
Η πρώτη που εμφανίστηκε ήταν η κοιλότητα υπεραγώγιμων ραδιοσυχνοτήτων (SRF), η οποία αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1960 για να επιταχύνει φορτισμένα σωματίδια. Μια κοιλότητα SRF είναι ουσιαστικά ένας θάλαμος σε έναν υπεραγώγιμο σωλήνα που αντηχεί με ένα σήμα RF. Καθώς η ενέργεια ραδιοσυχνοτήτων αντλείται στην κοιλότητα, δημιουργείται ένα τεράστιο ταλαντευόμενο ηλεκτρικό πεδίο κατά μήκος του σωλήνα. Εάν ένα φορτισμένο σωματίδιο εισαχθεί στην κοιλότητα την κατάλληλη στιγμή, θα επιταχυνθεί. Πράγματι, όταν συνδέονται πολλές διαφορετικές κοιλότητες, μπορούν να επιτευχθούν πολύ υψηλές επιταχύνσεις.
Το Ήλιο II μπορεί πολύ αποτελεσματικά να ψύξει ένα ευρύ φάσμα υλικών σε θερμοκρασίες στις οποίες γίνονται υπεραγώγιμα
Ο Weisend εξηγεί πώς έγινε η πρωτοποριακή δουλειά στα SRFs Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ στις ΗΠΑ, όπου κατασκευάστηκε το Stanford Superconducting Accelerator τη δεκαετία του 1960. Το βιβλίο περιγράφει επίσης πώς, στη δεκαετία του 1980, οι επιστήμονες κατασκεύαζαν το Εγκατάσταση επιταχυντή συνεχούς δέσμης ηλεκτρονίων (CEBAF) στις ΗΠΑ απέφυγε ένα σχέδιο επιτάχυνσης θερμοκρασίας δωματίου και βρήκε την ευκαιρία σε SRF που ψύχονται με ήλιο II. Στη δεκαετία του 1990, το Υπεραγώγιμος Γραμμικός Επιταχυντής Ενέργειας Tera Electron Volt Το έργο (TESLA) στο DESY στη Γερμανία οδήγησε στην προσπάθεια ανάπτυξης SRF για έναν Διεθνή Γραμμικό Επιταχυντή (ILC), ο οποίος θα μπορούσε να είναι ο διάδοχος του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC).
Στο μεσοδιάστημα, πολλά άλλα εργαστήρια έχουν υιοθετήσει SRFs με ψύξη ηλίου II, συμπεριλαμβανομένου του CERN. Εκτός από την ψύξη των SRF στο CERN, οι μαγνήτες του LHC ψύχονται χρησιμοποιώντας ήλιο II. Ο Weisend επισημαίνει ότι η τεχνολογία ψύξης με μαγνήτη που χρησιμοποιήθηκε στο CERN και σε άλλα εργαστήρια ήταν πρωτοπόρος για μια πολύ διαφορετική εφαρμογή, την αναζήτηση της δημιουργίας πυρηνικής σύντηξης σε ένα μαγνητικά περιορισμένο πλάσμα υδρογόνου. Αυτό έγινε στο Tore Supra, το οποίο ήταν ένα γαλλικό tokamak που λειτουργούσε από το 1988 έως το 2010 και έκτοτε έχει αναβαθμιστεί και μετονομαστεί ΔΥΤΙΚΑ. Το tokamak βρίσκεται στο Cadarache, όπου κατασκευάζεται επί του παρόντος η συσκευή επίδειξης ισχύος σύντηξης ITER με μαγνήτες που θα ψύχονται από κανονικό υγρό ήλιο και όχι από ήλιο II.
Το υπερρευστό «αισθάνεται» σαν μια επιφάνεια που αγώγει τη θερμότητα που περικλείει ένα άδειο εσωτερικό
Ένα άλλο υπερρευστό κατόρθωμα μηχανικής που ο Weisend καλύπτει λεπτομερώς είναι το Υπέρυθρος Αστρονομικός Δορυφόρος (IRAS), το οποίο εκτοξεύτηκε το 1983 και ήταν η πρώτη σημαντική χρήση ηλίου II στο διάστημα. Ο Weisend εξηγεί πώς οι σχεδιαστές του IRAS ξεπέρασαν σημαντικές προκλήσεις, συμπεριλαμβανομένης της ανάπτυξης ενός τρόπου εξαέρωσης του ατμού ηλίου όταν αναμιγνύεται με σταγόνες υγρού σε περιβάλλον χαμηλής βαρύτητας.
Το IRAS διατήρησε υπερρευστή ψύξη για 300 ημέρες ενώ ανακάλυψε πολλά υπέρυθρα αντικείμενα. Η επιτυχία του ενέπνευσε μελλοντικές αποστολές που χρησιμοποίησαν ήλιο II, συμπεριλαμβανομένου του Cosmic Background Explorer (COBE). Αυτό ξεκίνησε το 1989 και οδήγησε στον George Smoot και στον John Mather να απονεμηθεί το Νόμπελ Φυσικής το 2006 για την ανακάλυψη της ανισοτροπίας του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου.
Εκτός από το παρελθόν και το παρόν του ηλίου II, Υπερρευστό κοιτάζει στο μέλλον. Ο Weisend επισημαίνει ότι η εποχή του ηλίου II στο διάστημα μάλλον έχει τελειώσει λόγω της ανάπτυξης μηχανικών ψυκτών που μπορούν να φτάσουν σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Αγγίζει επίσης εν συντομία το άλλο υπερρευστό ήλιο, το ήλιο-3, και πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί μαζί με το ήλιο II για την ψύξη των πραγμάτων σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες σε ένα ψυγείο αραίωσης.
Αν και μπορεί να μην εκτοξεύουμε πλέον υπερρευστά στο διάστημα, ο Weisend ξεκαθαρίζει ότι υπάρχουν πολλές μελλοντικές εφαρμογές εδώ στη Γη. Πράγματι, οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής σύντηξης με ψύξη ηλίου II θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην απομάκρυνση του άνθρακα από την οικονομία και οι επιταχυντές επόμενης γενιάς θα μπορούσαν σύντομα να μας δώσουν μια άποψη της φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο μοντέλο.
- Springer 2023 150 σελ. 29.99 $ pb
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://physicsworld.com/a/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics/
