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茶杯中的暴风雨

中科院物理所  · 公众号  · 物理  · 2017-03-30 10:34

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到这里,都没有什么问题。但如果把茶换成超流氦,又会发生什么?由于没有摩擦和边界层,液体会一直保持旋流。至少在过去我们是这么认为的。这个现象在一个完美的光滑表面上的确是正确的。


△ 在超流体的情况中,没有边界层,流体会一直流动下去。在完美光滑的杯壁下,这的确是事实。(图片来源:Newcastle University/YouTube)


英国纽卡斯尔大学的数学家George Stagg和他的同事想要知道在现实的情况中,又会发生什么?他们利用描述超流体流动的量子力学方程(即Gross–Pitaevskii方程)来模拟杯中的超流体,意外地发现超流体的确有“涌现”的粘度,这是由它和杯壁之间的作用所引起的。现实中,这种“永恒的流动”并不存在。


△ 在茶杯的杯壁并不是完美光滑的现实情况下会发生什么?Stagg利用量子力学方程来模拟杯中的超流体。(图片来源:Newcastle University/YouTube)


我们知道,在微观尺度下,所有的表面都是不平滑的,起伏着只有几个分子高的峰谷。当这些超流体流过这些峰谷的时候,会产生“小龙卷风”,像是在茶杯边缘发生的一场暴风雨。这些旋转的龙卷风会像意大利面般纠缠在一起,使超流体的流动逐渐变慢——至少在边缘是这样。这就意味着,超流氦与普通流体之间有紧密的联系。


△ 杯壁上起伏着只有几个分子大小的峰谷(黄色),超流体经过峰谷时会产生红色小漩涡,它们像意大利面一样纠缠在一起。(图片来源:Newcastle University/YouTube)


这个行为并没有在实验中直接被观测到,理论家一般只考虑理想的光滑表面。通常,物理学家都会用理想的模型来描述事物在最简单层面的行为。但在现实世界中,材料的行为是由它们的缺陷和不完美所支配的。







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