超流動体ヘリウム中の物体に”摩擦がはたらかない理由”が「準粒子」によって説明される!

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超流動体ヘリウム3の内部では物体は摩擦抵抗を受けずに動ける
超流動体ヘリウム3の内部では物体は摩擦抵抗を受けずに動ける / 超流動体内部では摩擦を受けない/Credit:wikipedia
reference: sciencedaily

超流動体となったサラサラなヘリウムは異様な性質を持っています。

超流動体のヘリウムは粘性が0であるために、どんな小さな穴からも抜け出すだけでなく、ガラス容器の内部に入れても、勝手に壁をよじのぼって外にこぼれていくなど、忍者のような性質を数多く持ち合わせているのです。

しかし今回、より異様な性質が明らかになりました。

9月21日付けで『Nature communications』に掲載された論文によれば、超流動体となったヘリウムの内部を物体が移動しても、まるで真空の中を移動するように、摩擦や抵抗を受けないことが判明したのです。

空気中や水中を移動する物体は摩擦や抵抗を受けるため、動き続けるためには常に力を加えなければなりません。しかし、超流動体内部では力を加えなくても動き続けられるようです。

いったいどうしてなのでしょうか?

そもそも超流動とは何か?

超流動体が起こす毛細管現象
超流動体が起こす毛細管現象 / 超流動体の壁のぼり現象は毛細管現象と原理が同じ/Credit:wikipedia

超流動とは、一定の条件(極低温)で液体の粘性が消失する現象。超流動を示す代表的な物質として液体ヘリウムが知られています。

通常、ヘリウムは中性子2つ、陽子2つを原子核にした単原子ガスです。ヘリウムを吸入してから発声すると、甲高い音色の奇妙な声が出るドナルドダック効果などで有名な気体でしょう。

しかし、ヘリウムは絶対零度近くになると粘性が失われた超流動状態の液体となり、原子1個ぶんの穴からでも抜け出す、超サラサラな物質になります。

また超流動体となったヘリウムは、ヘリウム同士よりも他の分子との相互作用が大きいため、上の図のように、ガラス容器のツルツルした壁に対して、這い上がって勝手に零れていく現象が観察されるようになります。

この超流動体の奇妙さに多くの科学者たちが注目し、様々な実験が行われてきました。

そんなある日、イギリスランカスター大学のアウティ氏は「超流動体の中で物体を動かした場合、摩擦による抵抗は発生するのだろうか?」と疑問を持ちました。

超流動体の内部で摩擦は存在しないことが判明!

超流動体の摩擦抵抗を調べる
超流動体の摩擦抵抗を調べる / 超流動体内部でワイヤーを動かしてみた/Credit:ナゾロジー

疑問を解消するために、アウティ氏がとった実験方法は極めてシンプルでした。

超流動体になることがわかっているヘリウム3の内部に、上の図のような小さなワイヤーを浸して動かしてみたのです。ちなみにヘリウム3とは通常のヘリウムから中性子が1つ失われた同位体を指します。

もし摩擦抵抗がなければ、ワイヤーを動かすのに必要な力は初速を与えるときにのみ生じるはずです

そして精密な測定の結果、超流動状態が維持されている範囲において、ヘリウム3の内部でワイヤーは初速を与えれば、まるで真空のように全くの抵抗なく動くことが可能だったと分かりました。

アウティ氏の疑問は「超流動体の中では摩擦抵抗が発生しない」という形で解消されたのです。

しかし、なぜ超流動体の内部では摩擦が存在しないでしょうか?

摩擦がなくても摩擦熱は生じていた?

超流動体内部では摩擦抵抗はないのに摩擦熱はだけは生じる
超流動体内部では摩擦抵抗はないのに摩擦熱はだけは生じる / 超流動体内部では摩擦はないのに摩擦熱はだけは生じる/Credit:ナゾロジー

摩擦抵抗消失の謎を解くために、アウティ氏らはまず最初に温度変化に着目しました。

実験環境は極低温状態にあるために、もしヘリウム3とワイヤーの間に摩擦熱が生じていれば、比較的容易に変化を観察できるからです。

結果、摩擦抵抗がないにもかかわらず、ヘリウム3の内部で移動するワイヤーは僅かな熱を発していたことが確認されました。

しかし、これは奇妙です。

実験結果が事実ならば、摩擦抵抗がないのに摩擦熱だけは生じていることになってしまいます。

摩擦熱の原因は「準粒子」だった

基本粒子と準粒子
基本粒子と準粒子 / この物質世界は基本粒子と準粒子からなる。基本粒子はあらゆる物理現象に必須だが準粒子はケース・バイ・ケースで作成される/Credit:名古屋大学

原因を解明するためにアウティ氏はワイヤーをヘリウム3の内部で様々な方法で動かし、僅かな熱変化を測定し続けました。

結果、摩擦と摩擦熱の不一致は古典物理学の常識の外、つまり量子力学的な解釈が必要であることが判明します。

ヘリウム3内部のワイヤーの周囲には、摩擦抵抗を打ち消す何らかの力学的指向性を持った粒子が生成されており、ワイヤーの移動によって生じる摩擦を吸収していたのです。

そのため、本来はワイヤーを引く計測器が感知するはずの機械的な抵抗が失われ、熱だけが観測される結果になったとのこと。

この摩擦を代替した謎の粒子として最有力候補となるのが、量子力学の中でも極めて特殊な「準粒子」だと考えられています。

準粒子は「超流動体の中で物体を引く」といった特定の条件にのみ発生する量子的性質を持った粒子であり、素粒子とは異なり特定条件から切り離して取り出すことはできません。

近年、この準粒子の発見が相次いでおり、N極かS極しかない単極磁気を持つものや、反粒子としての性質を持つマヨラナ粒子、さらには過去に記事にした1個の電子の3分の1の電荷を運ぶエニオンなど、「古典物理学では対応不可能な物理現象」を補完する存在となっています。

今回の、摩擦熱はあっても摩擦だけはない…といった不思議な現象も、準粒子の存在を念頭に置いて計算すると、説明することが可能になりました。

古典物理学では対応不可能な物理現象

物理現象の種類だけ準粒子があるかもしれない/Credit:depositphotos

現在、準粒子は多様な物理現象に広く存在するとことが判明してきており、異なる物理現象ごとに準粒子が生成され、量子力学的な解釈の一貫性を保つことに貢献しています。

今回の研究により、摩擦抵抗といったありふれた日常の力も、準粒子が介在した「古典物理学では対応不可能な物理現象」によって支配されていることが明らかになりました。

もしかしたら、何気なく落としたペンと床の間にも、何らかの準粒子が生成されているかもしれないと考えると、少し世界が面白くなったような気がしますね。

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