麻省理工學院的物理學家們在實驗室裡創造了一種完美的流體，並記錄了這種「完美流體」的聲音。聲音在流體中傳播的方式可以用來計算中子星和其他完美流體中的聲音和「量子摩擦」。對一些人來說，「完美流體」的聲音可能是森林小溪的輕拍聲，或者是水罐裡水的叮噹聲。對物理學家來說，完美流體指的是在量子力學定律允許的條件下，具有最小摩擦力或黏性的流體。這種完美的流體行為在自然界中是罕見的，但它被認為發生在中子星的核心和早期宇宙的液態等離子體中。
現在，麻省理工學院的物理學家們在實驗室裡創造了一種完美的流體，並聆聽了聲波是如何通過流體傳播的。這段錄音是該小組通過一種被稱為費米子、由基本粒子精心控制的氣體發出的聲波的衰減產物。可以聽到的音高是特定頻率的氣體共振，就像撥弦一樣。
研究人員分析了通過這種氣體傳播的數千種聲波，以測量它的「聲音擴散」，也就是聲音在氣體中消散的速度，這直接與材料的黏性或內摩擦有關。令人驚訝的是，他們發現流體的聲音擴散是如此之低，以至於可以用一個「量子」摩擦量來描述，這個摩擦量由一個被稱為普朗克常數的自然常數和流體中單個費米子的質量給出。
這個基本值證實了強相互作用的費米子氣體是一種完美的流體，在自然界是普遍存在的。今天發表在《科學》雜誌上的研究結果，首次證明了科學家能夠測量聲音在完美流體中的擴散。
科學家們現在可以用這種流體作為其他更複雜的完美流體的模型，來估計早期宇宙中等離子體的粘度，以及中子星中的量子摩擦——否則這些特性是無法計算的。科學家甚至可以大致預測它們發出的聲音。
「聽中子星的聲音是相當困難的，」麻省理工學院物理學教授馬丁說。「但現在你可以在實驗室裡用原子模擬它，搖晃那道「原子湯」，聽聽它的聲音，就知道中子星會發出什麼樣的聲音。」
而中子星和研究小組的氣體在大小和聲音傳播速度上差別很大，根據一些粗略的計算，這顆恆星的共振頻率將與氣體的共振頻率相似，甚至可以聽到。
為了在實驗室中創造完美的流體，馬丁的團隊產生了一種具有強烈相互作用的費米子氣體，費米子是基本粒子，如電子、質子和中子，被認為是構成所有物質的基石。費米子的定義是它的自旋為半整數，這一特性阻止一個費米子與另一個附近的費米子自旋相同。這種排他性使得元素周期表中的原子結構具有多樣性。
研究人員說：「如果電子不是費米子，而是處於相同狀態的電子，那麼氫、氦以及所有的原子，還有我們自己，就會看起來一樣。」
費米子喜歡彼此分開。但當它們被製成具有強烈的相互作用時，它們就可以表現為具有極低粘度的完美流體。為了創造出如此完美的流體，研究人員首先使用了一個雷射系統來捕獲鋰-6原子氣體。
研究人員將雷射精確地配置成一個圍繞費米子氣體的光學盒。當費米子撞擊到盒子邊緣時，雷射器就會被調整回氣體中。同時，費米子之間的相互作用被控制在量子力學允許的範圍內，所以在盒子裡，費米子必須在每次碰撞中相互碰撞。這使得費米子變成了完美的流體。
研究人員說：「我們必須製造出密度均勻的液體，只有這樣我們才能輕敲一邊，傾聽另一邊，並從中學習。」「要達到這樣一個境界，我們可以用這種看似自然的方式來使用聲音，實際上是相當困難的。」
以完美的方式流動
研究小組通過簡單地改變光盒的一面牆壁的亮度，讓聲波通過特定頻率的流體產生類似聲音的振動。他們記錄了數千張流體的快照，每一個聲波都經過。最後，他們能夠觀察到液體的密度對每種聲波的反應。然後，他們尋找能在液體中產生共振或放大的聲音的頻率，類似於對著酒杯唱歌，並找到它破碎的頻率。
「共振的質量告訴我流體的黏性，或聲音的擴散率，」茨維爾萊因解釋說。「如果一種液體黏性很低，它就能產生非常強烈的聲波，而且聲音很大。如果它是一種黏性很強的流體，那麼它就沒有任何好的共振。」
從他們的數據中，研究人員觀察到液體中有清晰的共振，特別是在低頻時。根據這些共振的分布，他們計算出了流體的聲音擴散。他們發現，這個值也可以通過普朗克常數和氣體中平均費米子的質量非常簡單地計算出來。
這告訴研究人員，這種氣體是一種完美的流體，它的聲音擴散是在量子力學可能設定的最低限度。除了使用這些結果來估計在更奇異的物質（如中子星）中的量子摩擦，這些結果還有助於理解某些物質如何表現出完美的超導流。這直接與材料的電阻有關，通過計算氣體的最低阻力是多少，我們知道了電子在材料中會發生什麼，以及如何讓電子以完美的方式流動。