Впервые физики записали звук течения «идеальной» жидкости

Впервые физики зарегистрировали звуковые волны, движущиеся через идеальную жидкость с минимально возможной вязкостью, как это допускается законами квантовой механики, восходящее глиссандо частот, на которых жидкость резонирует.

Это исследование может помочь нам понять некоторые из самых экстремальных условий во Вселенной — недра сверхплотных нейтронных звезд и кварк-глюонный плазменный «суп», заполнивший Вселенную сразу после Большого взрыва.

«Слушать нейтронную звезду довольно сложно, — сказал физик Мартин Цвиерлейн из Массачусетского технологического института.

«Но теперь вы можете имитировать это в лаборатории, используя атомы, встряхнуть этот атомный суп, послушать его и узнать, как будет звучать нейтронная звезда». (Вы можете послушать запись здесь.)

Жидкости охватывают ряд состояний материи. Большинство людей, вероятно, думают о них как о жидкостях, но жидкость — это любое несжимаемое вещество, соответствующее форме ее сосуда: газы и плазма также являются жидкостями.

Все три состояния жидкости — жидкость, газ и плазма — испытывают внутреннее трение между слоями жидкости, которое создает вязкость или толщину. Например, мед очень вязкий. Вода менее вязкая. В переохлажденном жидком гелии часть жидкости становится сверхтекучей жидкостью с нулевой вязкостью. Но это не обязательно идеальная жидкость.

«Гелий-3 — это ферми-газ, поэтому можно подумать, что он очень близко к той ситуации, которая нам требуется. Но вместо этого оказывается, что гелий-3 очень липкий, даже когда он становится сверхтекучим. Гелий-3 фактически является слабо взаимодействующим ферми-газом, и он показывает очень большую вязкость — даже когда становится сверхтекучим », — сказал Цвиерляйн.

«Вязкость сверхтекучего гелия-3 в тысячу раз превышает квантовый предел!»

Согласно квантовой механике, идеальная жидкость — это жидкость с минимально возможным трением и вязкостью, которые можно описать уравнениями, основанными на массе средней фермионной частицы, из которой она состоит, и фундаментальной физической константе, называемой постоянной Планка.

И поскольку вязкость жидкости можно измерить по тому, как звук рассеивается через нее — свойство, называемое диффузией звука, — группа исследователей разработала эксперимент по распространению звуковых волн через жидкость из фермионных частиц, чтобы определить ее вязкость.

Фермионы — это класс частиц, которые включают в себя строительные блоки атомов, такие как электроны и кварки, а также частицы, такие как нейтроны и протоны, состоящие из трех кварков.

Фермионы связаны квантово-механическим принципом исключения Паули, который гласит, что никакие две такие частицы в системе (например, атом) не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Это означает, что они не могут занимать то же место.

Охладите связку фермионов, таких как 2 миллиона атомов лития-6, до уровня выше абсолютного нуля и поместите их в клетку из лазеров, и квантовая нечеткость позволит им толкаться в волнах, которые почти не имеют трения — идеальная жидкость.

Эксперимент должен был быть разработан таким образом, чтобы максимально увеличить количество столкновений между фермионами и лазерами, настроенными так, чтобы фермионы, проходящие через границы, отскакивали обратно в газ. Этот газ поддерживали при температуре от -273,15 градусов Цельсия до -459,67 градусов Цельсия.

«Нам нужно было создать жидкость с однородной плотностью, и только тогда мы могли постучать по одной стороне, прислушаться к другой стороне», — сказал Цвиерлайн. «На самом деле было довольно сложно добраться до этого места, где мы могли бы использовать звук таким, казалось бы, естественным способом».

Чтобы «постучать» по стороне контейнера, команда изменила интенсивность света на одном конце цилиндрического контейнера. Это, в зависимости от интенсивности, посылало через газ вибрации, подобные различным типам звуковых волн, которые команда записала с помощью тысяч изображений — что-то вроде ультразвуковой технологии.

Это позволило им обнаружить рябь в плотности жидкости, аналогичную звуковой волне. В частности, они искали акустические резонансы — усиление звуковой волны, возникающее, когда частота звуковой волны совпадает с частотой естественной вибрации среды.

«Качество резонансов говорит мне о вязкости жидкости или коэффициенте распространения звука», — сказал Цвиерляйн. «Если жидкость имеет низкую вязкость, она может создавать очень сильную звуковую волну и быть очень громкой. Если это очень вязкая жидкость, то у нее нет хороших резонансов».

Исследователи обнаружили в своем газе очень четкие резонансы, особенно на низких частотах. По ним они рассчитали распространение звука в жидкости. Это было то же значение, которое можно было получить из массы фермионной частицы и постоянной Планка, что указывает на то, что газ литий-6 действительно ведет себя как идеальная жидкость.

Это имеет довольно интересные последствия. Внутренние части вращающихся нейтронных звезд, хотя на много порядков выше по температуре и плотности, также считаются идеальными жидкостями. У них также есть много режимов колебаний, в которых звуковые волны распространяются через звезду.

Мы могли бы использовать жидкости, такие как газ лития-6, чтобы понять коэффициент диффузии нейтронных звезд, что, в свою очередь, могло бы привести к лучшему пониманию их недр и сигналов гравитационных волн, генерируемых слиянием нейтронных звезд.

И это может помочь ученым лучше понять сверхпроводимость, при которой электроны могут свободно течь через материалы.

«Эта работа напрямую связана с сопротивлением материалов», — говорит Цвиерлайн. «Выяснение того, какое наименьшее сопротивление может иметь газ, говорит нам о том, что может случиться с электронами в материалах, и как можно создавать материалы, в которых электроны могут течь идеальным образом. Это захватывающе».

Исследование опубликовано в журнале Science.

Источники: Фото: (Christine Daniloff/MIT)