物理學家記錄「完美」流體之聲

物理學家們在實驗室裡創造了一種完美流體，並記錄下了這種「完美流動」的聲音。

「完美流動」的聲音是怎樣的？有人認為是森林中小溪的潺潺流動聲，也有人認為是水罐中叮咚作響的水聲。對物理學家來說，完美流體有更具體的定義，在量子力學定律範圍內，它是具有最小摩擦力（或粘度）的流體。

這種完美流體行為在自然界中是非常罕見的，研究人員認為，在中子星的核心和早期宇宙的液態等離子體中，或許能觀測到這種流體行為。

phys.org網站近日報導，美國麻省理工學院（MIT）的物理學家在實驗室中創造出了一種完美流體，並研究了聲波經由流體傳播的方式。這段錄音是費米子氣體發出的聲波的衰減產物。研究人員表示，能夠聽到的音高是特定頻率的氣體共振效果，與撥弦聲非常相似。研究人員分析了涉及費米子氣體的數千種聲波，以測定它的「聲音擴散」（即聲音在氣體中消散的速度，與材料的粘性或內摩擦直接相關）。令人驚訝的是，他們發現流體的聲音消散速度非常之低，甚至可以用單個「量子摩擦量」來進行描述。量子摩擦量是由普朗克常數和流體中單個費米子質量確定的參數。這一發現證實，強相互作用的費米子氣體是一種在自然界普遍存在的完美流體。相關研究成果刊登在《科學》雜誌中。

為了在實驗室中創造出完美流體，MIT物理學教授Martin Zwierlein團隊用精密配置的雷射系統，捕獲了鋰-6原子氣體。這是一種具有強相互作用的費米子氣體。費米子是基本粒子，也是構成所有物質的基石。常態下，它們具有排他性，不過當費米子被迫產生強相互作用時，它們就會表現為具有極低粘度的完美流體。隨後，研究人員調整雷射系統的亮度，以便讓聲波在流經特定頻率的流體時，產生類聲音振動。他們記錄下了數千張流體快照，這些快照匯聚成了一張聲波圖。最後，研究人員觀察到了流體密度對每種聲波的反應，並找出了能在流

體中產生共振的頻率。「共振質量透露了流體粘度，或聲音的擴散率。」Zwierlein解釋說，「如果一種流體粘度很低，它就能產生非常強烈的聲波；而如果流體的粘度很高，它就無法擁有較好的共振。」研究人員在流體中觀察到了清晰的共振，低頻時共振尤為明顯。根據共振的分布，他們計算出了流體的聲音擴散。

現在，科學家可以用這種流體作為其他複雜完美流體的模型，以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，這些特性此前幾乎無法測算。科學家們甚至還能由此預測它們發出的聲音。除此之外，這項研究還有助於理解如何在材料中產生完美超導流。Zwierlein說：「這項工作與材料電阻密切有關。通過計算氣體的最低阻力，我們明確了電子在材料中的運動情況，以及如何讓電子進行完美流動。」

編譯：德克斯特 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源：《科學》

期刊編號：0036-8075

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

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