物理学家记录“完美”流体之声学术资讯

物理学家们在实验室里创造了一种完美流体，并记录下了这种“完美流动”的声音。

“完美流动”的声音是怎样的？有人认为是森林中小溪的潺潺流动声，也有人认为是水罐中叮咚作响的水声。对物理学家来说，完美流体有更具体的定义，在量子力学定律范围内，它是具有最小摩擦力（或粘度）的流体。

这种完美流体行为在自然界中是非常罕见的，研究人员认为，在中子星的核心和早期宇宙的液态等离子体中，或许能观测到这种流体行为。

phys.org网站近日报道，美国麻省理工学院（MIT）的物理学家在实验室中创造出了一种完美流体，并研究了声波经由流体传播的方式。这段录音是费米子气体发出的声波的衰减产物。研究人员表示，能够听到的音高是特定频率的气体共振效果，与拨弦声非常相似。研究人员分析了涉及费米子气体的数千种声波，以测定它的“声音扩散”（即声音在气体中消散的速度，与材料的粘性或内摩擦直接相关）。令人惊讶的是，他们发现流体的声音消散速度非常之低，甚至可以用单个“量子摩擦量”来进行描述。量子摩擦量是由普朗克常数和流体中单个费米子质量确定的参数。这一发现证实，强相互作用的费米子气体是一种在自然界普遍存在的完美流体。相关研究成果刊登在《科学》杂志中。

为了在实验室中创造出完美流体，MIT物理学教授Martin Zwierlein团队用精密配置的激光系统，捕获了锂-6原子气体。这是一种具有强相互作用的费米子气体。费米子是基本粒子，也是构成所有物质的基石。常态下，它们具有排他性，不过当费米子被迫产生强相互作用时，它们就会表现为具有极低粘度的完美流体。随后，研究人员调整激光系统的亮度，以便让声波在流经特定频率的流体时，产生类声音振动。他们记录下了数千张流体快照，这些快照汇聚成了一张声波图。最后，研究人员观察到了流体密度对每种声波的反应，并找出了能在流

体中产生共振的频率。“共振质量透露了流体粘度，或声音的扩散率。”Zwierlein解释说，“如果一种流体粘度很低，它就能产生非常强烈的声波；而如果流体的粘度很高，它就无法拥有较好的共振。”研究人员在流体中观察到了清晰的共振，低频时共振尤为明显。根据共振的分布，他们计算出了流体的声音扩散。

现在，科学家可以用这种流体作为其他复杂完美流体的模型，以估计早期宇宙中等离子体的粘度以及中子星中的量子摩擦，这些特性此前几乎无法测算。科学家们甚至还能由此预测它们发出的声音。除此之外，这项研究还有助于理解如何在材料中产生完美超导流。Zwierlein说：“这项工作与材料电阻密切有关。通过计算气体的最低阻力，我们明确了电子在材料中的运动情况，以及如何让电子进行完美流动。”

科界原创

编译：德克斯特

审稿：西莫

责编：陈之涵

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：

https://phys.org/news/2020-12-physicists-capture-fluid.html