几十年前的物理学理论被木星大红斑的微观克隆所证实


​1949年,著名物理学家拉斯·昂萨格发表了一篇论文,讨论了超流体和湍流的潜在含义。70年后的今天,澳大利亚的一个研究小组进行了一项实验来支持他的理论,用一个微小的量子版本的木星“大红斑”来做这个实验。在肥皂泡表面的漩涡状液体被称为漩涡。这些漩涡可以产生强大的漩涡,一旦开始,它们就会继续旋转。

昆士兰大学量子物理学家泰勒·尼利在接受《科学警报》采访时表示:“大红斑是一个巨大的旋涡,其大小是地球的两倍,而且它已经存在了数百年。之所以花了这么长时间,是因为昂萨格的理论在任何旧的漩涡中都不起作用。这是一种特殊的“超流体”——一种没有任何阻力就能流动的液体。

与大红斑不同的是,在这个实验中,研究人员缩小了尺寸:显微镜下的尺寸。他们使用超流体冷却到绝对零度以上,并使用数字微镜设备和激光将其固定在适当的位置,然后产生一个直径只有100微米的涡旋。当然,它也有量子力学的特点。“没有量子力学,我们无法解释超流体的性质,”尼利说。“我们超流体中的所有原子都处于相同的量子态,这就产生了这些新的性质。”该团队随后产生了两个涡旋团,并将它们旋转到相反的方向,这证明了结构的稳定性。你可以看到下面是什么样子的:

​尼利解释说:“实际上,我们的方法和用勺子搅拌咖啡没什么不同。”“令人惊奇的是,我们可以在如此小的尺度上用光做到这一点——在我们的系统中产生的漩涡核心只有人类血细胞直径的1/10左右。”莫纳什大学的另一组澳大利亚研究人员也在用类似的方法进行这类研究,但他们在不同的温度下产生涡旋,以观察它们在高温下的变化。他们的结果表明,涡旋随机分布的系统会像昂塞格预测的那样有序。

乱流不仅仅是飞机旅行的问题。它包括所有以压力和流量的“混沌”变化为特征的流体运动。这包括把牛奶搅拌到茶里,从烟囱里冒出滚滚浓烟,或者地平线上暴风云的形状。在这些实验中,研究人员专门考察了二维涡流,虽然没有肥皂泡或大红斑是真正的二维,但对于物理学来说,你可以认为他们是2d。

在像这样的二维系统中,能量流向涡旋,然后停留在涡旋中,所以涡旋没有减速和停止,而是持续的时间比你想象的要长得多。有趣的是,正如昂萨格的理论预测的那样,你给系统添加的能量越多,这个巨大的漩涡就会变得越集中。尼利补充说:“湍流的特征是这些混乱的漩涡,昂萨格的理论提供了一种机制,在某些条件下,你可以把这些旋涡组合在一起,形成一个大旋涡。”

研究人员希望这项研究,连同莫纳什大学研究人员的相关研究,将有助于理解远离平衡的量子系统内部的热力学。

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