聽(tīng)，完美流體的聲音
聽(tīng)，完美流體的聲音
轉(zhuǎn)載自《環(huán)球科學(xué)》
新研究捕捉到了一種“完美流體”的聲音，這是種可在量子力學(xué)定律允許最小摩擦下流動(dòng)的流體。
什么是“完美流體”？對(duì)有的人來(lái)說(shuō)，完美流體可能是森林里輕聲拍打的小溪，也可能是大江大河里奔騰翻滾的河流，亦有可能是庭院深處從屋檐墜落在水缸的水滴……
但對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題有著更具體的答案，因?yàn)樗麄儗?duì)“完美流體”有著更清晰的定義。完美流體指的是在量子力學(xué)定律允許的條件下，具有最小摩擦力或最小黏性的流體。這樣的完美流體在自然界中或許非常罕見(jiàn)，但可能存在于中子星的核心和早期宇宙的液態(tài)等離子體中。
這樣的完美流體的聲音會(huì)是怎樣的？我們無(wú)法聽(tīng)到中子星內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生怎樣的聲音，但是最近，一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造出了一種完美流體，他們記錄了由這種流體所發(fā)出的聲音，這是對(duì)完美流體中的聲音擴(kuò)散率的首個(gè)測(cè)量。研究人員將實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在了近期的《科學(xué)》雜志上。
有理論表明，中子星的核心包含由費(fèi)米子組成的強(qiáng)相互作用物質(zhì)。費(fèi)米子是一類(lèi)自旋為半整數(shù)的基本粒子，電子、質(zhì)子和中子都屬于費(fèi)米子，它們被認(rèn)為是構(gòu)成所有物質(zhì)的基石。費(fèi)米子“天生”喜歡彼此分離，因此，當(dāng)它們“被迫”在不得已的情況下要進(jìn)行強(qiáng)相互作用時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)為具有極低黏性的完美流體。
為了在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出這樣的完美流體，研究人員首先利用一個(gè)激光系統(tǒng)來(lái)捕獲鋰-6原子氣體。這是一種可被視作為費(fèi)米子的粒子，在實(shí)驗(yàn)中，它們被困在一個(gè)由綠色激光束制成的三維圓柱形“容器”中。
圖片 鋰-6原子被困在由激光制成的“容器”中。
圍繞著鋰-6原子氣體的激光“容器”可以被精準(zhǔn)、細(xì)致地操控，使得當(dāng)原子撞擊到“容器”邊緣時(shí)，會(huì)被回彈到氣體中。同時(shí)，原子之間的相互作用被控制在量子力學(xué)允許的范圍內(nèi)，因此在這個(gè)容器中，這些原子會(huì)在每次相遇時(shí)都發(fā)生相互碰撞。這個(gè)過(guò)程可以使得這些費(fèi)米子氣體變成完美流體。
接著，通過(guò)改變“容器”的一個(gè)面的亮度，研究人員可以讓聲波穿過(guò)“容器”的這一面，從而在特定頻率上產(chǎn)生像聲音一樣的振動(dòng)。每當(dāng)有這樣的聲波通過(guò)時(shí)，他們就拍下一個(gè)快照。在收集了數(shù)千張流體快照之后，他們將所有的快照結(jié)合在一起，生成了一個(gè)聲像圖。
最后，通過(guò)觀察流體密度對(duì)每種聲波的反應(yīng)，他們可以找出能在流體中產(chǎn)生共振或者會(huì)放大聲音的頻率。通過(guò)分析錄音中的共振，研究人員分析了通過(guò)這種氣體的數(shù)千個(gè)聲波，從而判斷出流體的黏性，以及聲音擴(kuò)散率，也就是聲音在氣體中消散的速度（這一特性直接與材料的黏性或內(nèi)摩擦有關(guān)）。如果一種流體的黏性很低，那么當(dāng)以恰好的頻率撞擊時(shí)，它將能產(chǎn)生非常強(qiáng)的聲波了；如果一種流體的黏性很強(qiáng)，那么它不會(huì)出現(xiàn)任何高質(zhì)量的共振。
從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，研究人員觀察了到流體中出現(xiàn)了清晰的共振，特別是在低頻時(shí)。根據(jù)這些共振的分布，他們計(jì)算出了流體的聲音擴(kuò)散率，發(fā)現(xiàn)這個(gè)數(shù)值非常低，低到足以用一個(gè)“量子”摩擦量來(lái)描述——這一量子摩擦量可以簡(jiǎn)單地通過(guò)普朗克常數(shù)和氣體中的單個(gè)費(fèi)米子的質(zhì)量計(jì)算出來(lái)。這一數(shù)值證實(shí)了，實(shí)驗(yàn)中所使用的強(qiáng)相互作用費(fèi)米子氣體的確是一種完美流體，并且它的聲音擴(kuò)散以及它黏性，是在量子力學(xué)所允許的最低限度內(nèi)。
現(xiàn)在，這種流體可被用作為其他一些更為復(fù)雜的完美流體的模型，從而幫助科學(xué)家計(jì)算早期宇宙中等離子體的黏性，以及中子星內(nèi)的量子摩擦——這些特性在其他情況下是無(wú)法計(jì)算的。
這項(xiàng)研究甚至還能幫助科學(xué)家在未來(lái)大致預(yù)測(cè)出中子星的聲音。在這項(xiàng)研究成果到來(lái)之前，想要聆聽(tīng)中子星的聲音是一件相當(dāng)困難的事。但現(xiàn)在，他們可以在實(shí)驗(yàn)室里利用原子來(lái)對(duì)此進(jìn)行模擬，或許將來(lái)科學(xué)家只需通過(guò)晃動(dòng)“原子湯”，就能知道中子星會(huì)發(fā)出什么樣的聲音。
研究人員表示，除了使用這些結(jié)果來(lái)計(jì)算在如中子星一類(lèi)的奇異物質(zhì)中的量子摩擦之外，這一結(jié)果還有助于理解某些物質(zhì)如何表現(xiàn)出完美的超導(dǎo)流。這項(xiàng)研究將直接與材料的電阻有關(guān)，通過(guò)計(jì)算氣體的最低阻力是多少，來(lái)獲悉電子在材料中會(huì)發(fā)生什么，以及如何讓電子以完美的方式流動(dòng)。
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