摘要：当热量不再像我们习惯的那样缓慢扩散，而是像声波一样在物质中振荡传播时，我们就进入了量子世界最奇异的领域之一。麻省理工学院的物理学家团队最近成功实现了一个长达87年的科学梦想：他们在实验室中直接观测并拍摄到了"第二声"现象——一种早在1938年就被理论预测但从未

信息来源：https://interestingengineering.com/innovation/invisible-heat-wave-visible

当热量不再像我们习惯的那样缓慢扩散，而是像声波一样在物质中振荡传播时，我们就进入了量子世界最奇异的领域之一。麻省理工学院的物理学家团队最近成功实现了一个长达87年的科学梦想：他们在实验室中直接观测并拍摄到了"第二声"现象——一种早在1938年就被理论预测但从未被直接观察到的量子效应。这项突破性成果不仅验证了近一个世纪前的理论预测，更为从中子星物理学到高温超导体研究等多个前沿科学领域开辟了全新的研究路径。

研究团队采用了锂-6原子作为实验介质，通过将其冷却至接近绝对零度的超流体状态，成功创造了第二声现象所需的极端条件。在这种状态下，热量不再遵循我们日常经验中的扩散规律，而是以波的形式在超流体中传播，形成了前所未见的"热声波"。这种现象的直接观测，标志着人类对量子世界认知的又一次重大跨越。

实验技术的创新突破

刻度盘温度计。 维基共享资源

第二声现象的观测面临着巨大的技术挑战，其核心难点在于如何在极低温度下精确测量热量的传播。传统的热成像技术在接近绝对零度的条件下完全失效，因为在如此低的温度下，原子几乎不发出任何红外辐射。这个看似无法逾越的技术障碍困扰了科学界数十年。

麻省理工学院的研究团队通过创新的实验设计解决了这一难题。他们巧妙地利用了锂-6同位素的特殊性质：该原子的共振频率会随温度变化而发生微妙变动。通过精确调节无线电波的频率，研究人员能够选择性地激发特定温度下的原子，从而实现了对温度分布的精确测量和实时监控。

论文合著者马丁·茨维尔莱因教授强调了这一技术创新的重要性："这是超流体的标志性特征，但到目前为止，我们只能通过间接方法来检测它。现在我们终于可以直接观察这一现象的发生过程。"这种方法不仅提供了前所未有的温度测量精度，还能够在传统热成像技术完全失效的极端条件下保持可靠性。

实验中最激动人心的时刻是当研究人员首次在屏幕上看到热波像声波一样来回振荡的画面。论文合著者理查德·弗莱彻描述了这一历史性时刻："这是我们第一次能够真正拍摄到这种物质冷却成超流体的过程。我们可以真实地看到它从普通流体转变为量子流体的整个过程。"

理论与实验的完美契合

第二声现象的理论基础可以追溯到20世纪30年代对超流体的早期研究。当时的理论物理学家预测，在超流体中存在两种不同类型的声传播模式：第一声是普通的压力波，类似于我们熟悉的声波；第二声则是纯粹的热波，在这种波动中，流体的密度保持不变，只有温度和熵发生周期性变化。

这种理论预测长期以来只能通过间接的实验证据来支持。虽然科学家们通过各种间接方法证实了第二声的存在，但直接观测这种现象的技术手段一直缺乏。麻省理工学院团队的成功不仅验证了87年前的理论预测，更重要的是为研究超流体的其他奇异性质提供了强有力的实验工具。

超流体的行为遵循量子力学的基本原理，其中的粒子在宏观尺度上表现出相干性。这种相干性使得热量传播不再是无序的扩散过程，而是变成了有序的波动现象。第二声的直接观测为理解这种量子相干性如何在宏观尺度上表现提供了关键的实验证据。

实验结果显示，热波的传播速度和频率特性与理论预测高度一致，这种精确的对应关系进一步证实了现有超流体理论的正确性。同时，实验也揭示了一些理论中未曾详细考虑的细节，为完善相关理论模型提供了宝贵的实验数据。

跨学科应用的广阔前景

第二声现象的直接观测对多个科学领域都具有重要意义。在天体物理学领域，中子星被认为含有大量的超流体成分，理解热量在这种极端环境下的传播机制对于建立准确的中子星模型至关重要。中子星内部的超流体层可能影响其冷却过程、磁场演化以及引力波的产生机制。

茨维尔莱因教授指出了这一研究与超导体研究之间的深刻联系："我们的气体云密度比空气低一百万倍，但它的行为与电子在超导体中的行为非常相似，这使得它成为一个非凡的研究系统。"这种相似性为研究高温超导体的微观机制提供了新的实验平台。

高温超导体一直被视为能源技术的"圣杯"，在无损电力传输、磁悬浮交通和量子计算等领域具有巨大的应用潜力。然而，高温超导的微观机制至今仍然是物理学中的未解之谜。通过研究超流体中的第二声现象，科学家们希望能够深入理解量子多体系统中的相互作用机制，从而为设计新型超导材料提供理论指导。

在材料科学领域，这一发现为研究量子材料的热传导性质提供了全新的方法。许多新型量子材料在特定条件下可能表现出类似的热波传播现象，理解这些现象对于开发具有特殊热学性质的功能材料具有重要价值。

技术发展的未来方向

麻省理工学院团队的成功开启了超流体研究的新纪元。研究人员计划将这种观测技术扩展到更加极端的条件下，探索第二声与其他量子效应之间的相互作用。未来的研究方向包括研究不同维度系统中的第二声现象、探索第二声在量子相变中的行为，以及开发基于第二声的量子传感器。

这种新的观测能力还为研究其他奇异的量子现象打开了大门。例如，科学家们正在探索是否能够在超流体中观测到"第四声"等更高阶的声传播模式，这些现象的发现可能会进一步丰富我们对量子流体行为的理解。

从技术应用的角度来看，第二声现象的直接操控可能为开发新型量子器件提供基础。例如，基于热波传播的量子信息处理器件、高精度温度传感器以及新型热管理系统等都可能从这一基础研究中获益。

工业界已经开始关注这一突破的潜在应用价值。一些公司正在探索将类似的技术用于极低温环境下的精密测量和控制，这对于量子计算机的发展具有重要意义。量子计算机需要在极低温度下工作，精确控制和测量这种环境下的热传播对于提高量子计算机的稳定性和性能至关重要。

第二声现象的成功观测也展示了基础科学研究的重要价值。87年前的理论预测在今天得到了实验验证，这种从理论到实验的漫长历程体现了科学发展的连续性和累积性。同时，这也提醒我们，今天的基础研究成果可能会在未来几十年甚至更长时间后产生重要的实际应用。

随着实验技术的不断完善和理论理解的深入发展，第二声现象的研究必将为人类探索量子世界的奥秘提供更加强有力的工具，并最终推动相关技术的实际应用。

来源：人工智能学家