物料粒子「量子特性」 阻力老是常出現
日常生活或工作上，我們可能會不時遇到「阻力」，公司推動新政、校園籌辦新活動，我們都殷切地期盼這些阻力消失殆盡。同樣地，在不太涉及情感意見的物質世界裡，阻力也是一個經常出現的現象：不同的物料有不同的電阻（electrical resistance ），以不同程度阻礙電流流動，更會將電流的能量轉化為熱能，不單造成能源的損耗，過熱的電線還可能導致火災；在水管及水渠裡流動的液體，因為本身有或多或少的黏稠，需要人為消耗能量去維持流動（比如利用壓力或地心吸力）。
低溫下能量減 「量子特性」變明顯
令人驚喜的是，大自然裡原來真的存在着「無阻力」的狀態：在極低温的環境下（例如攝氏零下271度），一些物料的電阻可以變成極小，即超導體現象（superconductivity）；一些物質可以變成一點兒也不黏稠，只需輕輕一推就能流過狹窄的管道，稱為超流體現象（superfluidity）。
為什麼會這樣？首先讓我們想想物質的特性與溫度的關係。物料的溫度，其實代表着組成物料的粒子的移動速度：溫度愈高，粒子就有更多的能量四處移動。
普遍來說，導電體的電阻會隨着溫度下降而降低，正如我們很難快速地走過人山人海的年宵市場。這些活躍的粒子會將電流到處「彈飛」，阻礙電流的流動。
而流體黏稠度的故事卻大不相同。有能量的物料粒子能夠更容易無視粒子之間的「羈絆」（比如相互的摩擦力或吸力），因此溫度的提升能夠減低流體的黏稠度。我們應該不難想像，冷得快要凝固的食用油會比在鍋裡被煮熱的要黏稠很多。
那麼在低溫出現的超導體現象和超流體現象又是怎麼回事？減低溫度雖然會降低導電體的電阻，但卻不會突然將電阻降低至接近零的水平；只會提高流體的黏稠度，不會減低。
費米子「冷淡」 玻色子「親密」
原來在低溫的狀況下，物料粒子的能量減低，因而令粒子本身的「量子特性」變得明顯。以量子特性而言，粒子可以分為兩類：一種是以美籍意大利物理學家費米（Enrico Fermi）而命名的費米子（Fermion），它們的特性是，任何兩顆費米子是不可能存在於完全相同的狀態之中。如果將粒子比喻為住在旅館的旅客，那麼每一間房間中就只能住一枚費米子，它們是絕對不會和同伴共享房間的。
另一種是以印度物理學家玻色（Satyendra Nath Bose）命名的玻色子。跟費米子完全相反，玻色子最愛聚在一起共同活動，凝聚於一個相同的狀態之中。一些展露超流體現象的物料，就是由玻色子組成。在低溫之下，這些玻色子會凝聚於能量最小的狀態，好像一個單一個體般共同流動，因而令物料變得一點兒也不黏稠。在一些導電體中，電子會在低溫之下組成玻色子，因此能夠共同傳到電流，令物料的電阻變得極小。
小 結
現今的很多研究，都旨在開發能令超流體及超導體現象在較高溫度呈現的方法。如果成功了，應該能令我們的科技水平再進一步呢！ ■張文彥博士
作者簡介：香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後，決定追隨對科學的興趣，在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位，修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師，教授基礎科學及通識課程，不時參與科學普及與知識交流活動。
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