最新研究證明：三維經典流體和超流體之間的差異！

2020-10-18 博科園

Weizmann科學研究所、羅馬大學、CNRS和赫爾辛基大學的研究人員新進行了一項研究，研究了經典流體和超流體(如氦)中三維各向異性湍流之間的差異。其研究發現發表在《物理評論快報》(PRL)上，得到了理論和實驗證據的支持。開展這項研究的研究人員之一伊塔瑪爾·普魯卡西亞(Itamar Procaccia)說：目前研究是由我們在以色列魏茨曼研究所(Weizmann Institute, Israel)的團隊發起，由維克多·L'vov、伊塔瑪爾·普魯卡西亞(Itamar Procaccia)和安娜·波米亞洛夫(Anna Pomyalov)組成

試圖理解來自佛羅裡達州立大學(Florida State University)郭偉教授、塔拉哈西大學(Tallahassee)和布拉格查爾斯大學(Charles University)的拉迪斯拉夫·斯克貝克(Ladislav Skrbek)教授的團隊進行的新奇實驗觀察。主要目標是了解不同尺度的湍流渦旋在經典粘性流體(如空氣和水)和低溫超流體(如氦)中能量分布的驚人差異。在自然界和實驗室環境中，所有湍流在能量注入尺度上都是各向異性的，這意味著它們湍流渦旋之間的能量分布不同。以往的研究表明，均勻各向同性湍流模型(HIT)對於預測比攪拌尺度小得多。

  • 圖片：Biferale et al

但比耗散尺度大得多的湍流統計特性特別有效。在經典流體中，三維各向異性湍流隨著尺度的減小而趨於各向同性和均勻性，因此最終將HIT模型應用於三維各向異性湍流是可能的。然而在研究中，Procaccia和同事證明，在三維反流通道幾何中，超流體4He湍流的情況正好相反。使用的方法涉及到超流氦所謂「雙流體模型」。這個模型是基於1940-1941年Laszlo Tisza和Lev Landau的早期工作，後來H. Hall, W.F. Vinen, I.M. Khalatnikov和I。L Bekarevich。該模型將超流氦描述為兩種流體的相互滲透混合物：

一種沒有摩擦的超流體和一種由相互摩擦耦合的正常粘性流體。佛羅裡達塔拉哈瑟和布拉格的兩組研究人員過去對溫度梯度下的超流體氦進行了研究，創造了所謂的「逆流」。顧名思義，在逆流中，流體流向相反的不同組分；超流體從冷態流向熱態，而正常流體從熱態流向冷態。模型使一些實驗觀測結果合理化，並預測了一些後來被實驗證實的新特徵。研究的主要結果是，與經典湍流在更小尺度上變得越來越蛤同性相反，研究的流動隨著尺度減小變得越來越不蛤同性。在進行這項研究之前，Procaccia和同事們從理論上預測，實驗將得出他們後來收集到的觀察結果。

然而觀察到的這種效應強度只有在他們與盧卡·比費雷爾(Luca Biferale)領導的研究小組合作，在一臺歐盟超級計算機上進行直接數值模擬之後才變得清晰起來。Procaccia表示，理論和數值研究結果已經激勵其他實驗小組對逆流湍流進行進一步的研究。在魏茲曼研究所正在進一步發展這一理論，關注能夠對超流體氦中的湍流進行詳細研究的新實驗技術。團隊繼續參與分析新實驗數據，希望能對從實驗室實驗到宇宙學實現(如中子星)的超流體流動有更深入的了解。


參考期刊文獻:《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.144501

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