我们来谈谈流体。“流体”一词既可以描述**，也可以描述气体。我们了解过流体的运动方式。我们还认识了一种性质非常特殊的流体，即非牛顿流体。非牛顿流体介于流体和固体状态之间，而这次我们要讲的事物则完全属于流体。

其实是什么定义了流体呢？物质以不同的相态存在，包括固态、液态、气态或等离子态。其实际的相态取决于物质的压力和温度。这些相是由一种物质的不同分子之间的作用力引起的。以水为例，水分子可以相互吸引，形成固体结晶。固体物质既不能轻易改变形状，也不能轻易改变体积。但只要水分子的平均能量（这就是我们定义的温度）过大，束缚就会打破，水分子便可以移动了。这就是为什么你可以使液态水变形的原因。但水分子还是紧密地挨在一起，这就是为什么你不能压缩它的原因。如果你进一步提高温度，分子将无法紧密地挨在一起，开始自由活动。不过，你可以通过施加外部压力来减少它们的活动距离，所以可以压缩气体。如果你进一步提高温度，你甚至可以把电子从原子上扯下来，物质这种状态被称为等离子态。你可以在关于宇宙的童年的那节中了解更多关于相变的内容。

流体的性质

我们继续讲流体：除了按照流体的基本性质，你还可以按照其行为进行分类。比如，流体可以导热，但有些导热能力强，有的导热能力弱。该效果可以用“热导率”λ量化。有时候，人们想要的是热导率尽可能低的材料，比如，你想在冬季为你的房子保暖，那么你就要选择λ值低的材料，因为这种材料内部的热量不怎么会传到外部。我们能想到的热导率最低的便是真空了——真空的λ为0。还有的情况下，人们想要的是λ值高的材料，比如你希望机器能快速散热，以免它过热受损。铜和银的热导率就比较高。

除了热导率，你可能也会对流体的黏度感兴趣。黏度可以告诉你“你的流体有多稠”。黏度越大，流体的运动速度就越慢。黏度是在物理意义上比“稠度”更精确的定义，因为它定义了对剪力的阻力。你可以通过插图看明白这一点。如果你让图中的底板保持固定，移动顶板，那么最上端的流体层也会跟着移动，而最下端的流体层则不会移动。黏度可以告诉你，在保持给定距离的两块板子间，为了让流体达到一定速度，我们在单位面积上需要施加多大的剪力。有个很好的例子可以说明这一点，想想水和蜂蜜的表现你就明白了。在此我要补充一句：如果你想找黏度大的物质，那就选沥青吧！有一个测量沥青从漏斗中滴出的速度的实验。该实验从1927年开始至今只成功滴下了9滴沥青，而且只有最后一滴落下时得益于网络摄像头而被记录了下来。这个仍在进行的实验已经被载入了《吉尼斯世界纪录大全》，因为它是地球上持续时间最长的室内实验。

氦——冷、更冷、奇怪

我们接着讲流体吧！让我们来聊聊一种特殊的流体：氦。氦原子由核内的两个质子和两个中子，外加两个电子组成。我们在太阳内部发现了大量的氦，因为它是让太阳发热的核聚变过程的产物。

我们在地球上找到的氦气并非来自太阳，而是来自地球地壳内放射性元素的衰变，比如铀的衰变。这类放射性衰变会放出α粒子。这些已经是氦原子核的粒子只需要再从周围的地壳中捕获两个电子便可以形成氦气了。另外，你还可以从天然气中提取氦气。氦气有多种用途：如果你吸入氦气，你的声音就会变得像米老鼠一样，因为声音在氦气中的传播速度是在空气中的三倍。由于它的密度比空气低，所以它是一种受欢迎的气球气体。氦气球可以飞，但不能燃烧。这其实是它与氢气相比最大的优势，氢气也可以让气球飞起来，但比氦气容易起反应（因此易燃）。不过，氦气最常见的用途是冷却。你可能见过医院里的MRI扫描仪，其电磁铁的线圈就是用氦气冷却的。另外，世界上最大的粒子加速器也是用氦气冷却的。

说到冷却，如果你冷却氦气会发生什么？在本节的开头，我们谈到了相变。所以冷却时气态氦迟早要变成液态。这种转变被称为冷凝。这种情况确实会发生。不过，水在温度降到100摄氏度或373开尔文时就会凝为**，而氦气在低于4开尔文时仍然是气态的！你看：在绝对零度以上，氦气没有多少变成固体的空间。事实上温度必须得低于1开尔文才能让氦气发生冷凝，但在一般条件下，它也不会变成固态，只有当你把压力增加到大气压的25倍时，它才会变成固态。当然，这很棒，但我们没必要因此用一整节的篇幅来讨论冷氦。

超冷，超流体

在关于超导性的那节中，我们了解到，某些材料冷却到一定温度以下时会变成一种特殊的量子态：它们变得具有了超导电性。这意味着它们会失去所有的电阻。如果氦气的温度低于2开尔文，它就会变成所谓的“超流体”。就像超导体中所有电子对的行为都好似某个单一的粒子，超流体中的所有氦原子也都可以用单一的波函数来描述。“那又怎样？”你可能会想。那会导致氦的性质发生非常有趣的变化。

热导率描述了温度的传输速度。一种材料中，较热的部分原子移动的速度更快。这些原子与相邻的原子碰撞，将自身的速度传递给它们。现在想象一下，你在一端摇动一个单波（函数），另一端的反应将立即随之而来。再想象一下，你在一端摇动一个刚性波，另一端也会立即随之出现反应。所以，热量（表现为物质的原子运动）会立即从一端输送到另一端。这就是超流体的热导率无限大的原因！

那超流体的黏度呢？导体中电子的摩擦会产生电阻，而流体中不同层的摩擦则会产生黏度。与电阻可以突然完全消失一样，超流体也可能突然摆脱黏度。想象一下，如果你的勺子上是毫无黏度的蜂蜜，你能让它待在勺子上多久？

至于超流体，它不仅待在勺子上相当困难，即使你把它放在杯子里、桌子上，它也不会停留在原地。以物理学家海克·卡末林·昂内斯命名的“昂内斯效应”描述了这种情况下会发生的事情：超流体将爬上杯子，然后再爬到地面上，就像图中画的那样。对于正常的流体来说，这是不可能的，但超流体却可以向上爬行，因为流体黏在壁上的力大于引力。而由于流体内部没有了摩擦力（没有黏度），超流体就会像薄膜一样覆盖在杯子上，并向势能最低的地方运动（如球从山上滚下）。在这个例子里，势能最低的位置就是桌子下面。

昂内斯效应也使超低温液氦的储存变得非常困难。氦的容器上只要有一个很小的洞，它就总能找到出路！