聽，完美流體的聲音
聽，完美流體的聲音
轉載自《環球科學》
新研究捕捉到了一種“完美流體”的聲音，這是種可在量子力學定律允許最小摩擦下流動的流體。
什么是“完美流體”？對有的人來說，完美流體可能是森林里輕聲拍打的小溪，也可能是大江大河里奔騰翻滾的河流，亦有可能是庭院深處從屋檐墜落在水缸的水滴……
但對物理學家來說，這個問題有著更具體的答案，因為他們對“完美流體”有著更清晰的定義。完美流體指的是在量子力學定律允許的條件下，具有最小摩擦力或最小黏性的流體。這樣的完美流體在自然界中或許非常罕見，但可能存在于中子星的核心和早期宇宙的液態等離子體中。
這樣的完美流體的聲音會是怎樣的？我們無法聽到中子星內部會產生怎樣的聲音，但是最近，一個物理學家團隊在實驗室創造出了一種完美流體，他們記錄了由這種流體所發出的聲音，這是對完美流體中的聲音擴散率的首個測量。研究人員將實驗結果發表在了近期的《科學》雜志上。
有理論表明，中子星的核心包含由費米子組成的強相互作用物質。費米子是一類自旋為半整數的基本粒子，電子、質子和中子都屬于費米子，它們被認為是構成所有物質的基石。費米子“天生”喜歡彼此分離，因此，當它們“被迫”在不得已的情況下要進行強相互作用時，就會表現為具有極低黏性的完美流體。
為了在實驗室中創造出這樣的完美流體，研究人員首先利用一個激光系統來捕獲鋰-6原子氣體。這是一種可被視作為費米子的粒子，在實驗中，它們被困在一個由綠色激光束制成的三維圓柱形“容器”中。
圖片 鋰-6原子被困在由激光制成的“容器”中。
圍繞著鋰-6原子氣體的激光“容器”可以被精準、細致地操控，使得當原子撞擊到“容器”邊緣時，會被回彈到氣體中。同時，原子之間的相互作用被控制在量子力學允許的范圍內，因此在這個容器中，這些原子會在每次相遇時都發生相互碰撞。這個過程可以使得這些費米子氣體變成完美流體。
接著，通過改變“容器”的一個面的亮度，研究人員可以讓聲波穿過“容器”的這一面，從而在特定頻率上產生像聲音一樣的振動。每當有這樣的聲波通過時，他們就拍下一個快照。在收集了數千張流體快照之后，他們將所有的快照結合在一起，生成了一個聲像圖。
最后，通過觀察流體密度對每種聲波的反應，他們可以找出能在流體中產生共振或者會放大聲音的頻率。通過分析錄音中的共振，研究人員分析了通過這種氣體的數千個聲波，從而判斷出流體的黏性，以及聲音擴散率，也就是聲音在氣體中消散的速度（這一特性直接與材料的黏性或內摩擦有關）。如果一種流體的黏性很低，那么當以恰好的頻率撞擊時，它將能產生非常強的聲波了；如果一種流體的黏性很強，那么它不會出現任何高質量的共振。
從實驗數據中，研究人員觀察了到流體中出現了清晰的共振，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率，發現這個數值非常低，低到足以用一個“量子”摩擦量來描述——這一量子摩擦量可以簡單地通過普朗克常數和氣體中的單個費米子的質量計算出來。這一數值證實了，實驗中所使用的強相互作用費米子氣體的確是一種完美流體，并且它的聲音擴散以及它黏性，是在量子力學所允許的最低限度內。
現在，這種流體可被用作為其他一些更為復雜的完美流體的模型，從而幫助科學家計算早期宇宙中等離子體的黏性，以及中子星內的量子摩擦——這些特性在其他情況下是無法計算的。
這項研究甚至還能幫助科學家在未來大致預測出中子星的聲音。在這項研究成果到來之前，想要聆聽中子星的聲音是一件相當困難的事。但現在，他們可以在實驗室里利用原子來對此進行模擬，或許將來科學家只需通過晃動“原子湯”，就能知道中子星會發出什么樣的聲音。
研究人員表示，除了使用這些結果來計算在如中子星一類的奇異物質中的量子摩擦之外，這一結果還有助于理解某些物質如何表現出完美的超導流。這項研究將直接與材料的電阻有關，通過計算氣體的最低阻力是多少，來獲悉電子在材料中會發生什么，以及如何讓電子以完美的方式流動。
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