工程研究人员将超流体湍流中的涡旋运动可视化

诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼(Richard Feynman)曾经将湍流描述为“古典物理学中最重要的未解决问题”。

理解诸如水和空气之类的经典流体中的湍流是困难的，部分原因是要确定在这些流体中涡旋的旋涡会带来很大的挑战。定位涡流管并跟踪其运动可以大大简化湍流的建模。

但是，在量子流体中，这种挑战要容易得多，因为量子流体的温度足够低，量子力学(以原子或亚原子粒子的规模处理物理学)可以控制其行为。

在《国家科学院院刊》上发表的一项新研究中，佛罗里达州立大学的研究人员设法可视化了量子流体中的涡流管，这些发现可以帮助研究人员更好地理解量子流体及其以外的湍流。

“我们的研究很重要，不仅因为它拓宽了我们对湍流的理解，而且还因为它可以有益于涉及涡流管的各种物理系统的研究，例如超导体，甚至中子星，”郭伟说。 FAMU-FSU工程学院机械工程教授以及该研究的主要研究员。

该研究小组研究了超流体氦4，这是一种量子流体，它存在于极低的温度下，并且可以永久流经狭窄的空间而没有明显的摩擦。

Guo的团队检查了捕获在涡流中的示踪剂颗粒，并首次观察到，随着涡流管的出现，它们以随机模式移动，并且平均而言，它们迅速偏离了起点。这些被困的示踪剂的位移随时间的增长似乎比规则分子扩散的过程快得多，这种过程称为超扩散。

分析发生的事情使他们发现旋涡速度如何随时间变化，这对于量子流体湍流的统计建模非常重要。

郭说：“在许多系统中都观察到了超扩散现象，例如生物系统中的细胞运输以及人类狩猎采集者的搜寻方式。” “对随机扩散的物体进行超扩散的公认解释是，它们偶尔会发生异常长的位移，这被称为莱维飞行。”

但是在分析了他们的数据之后，郭的团队得出结论，他们的实验中示踪剂的超扩散实际上并不是由列维飞行造成的。发生了其他事情。

国家高磁场实验室的博士后研究员，论文作者袁堂说：“我们最终发现，我们观察到的超扩散是由不同时间的涡旋速度之间的关系引起的。” “最初，每个涡旋段的运动似乎都是随机的，但实际上，一次段的速度与下一次的速度呈正相关。这种观察使我们能够发现某个涡旋的一些隐藏的通用统计属性。混乱的随机涡旋缠结，在物理的多个分支中都可能有用。”

与经典流体不同，超流氦4中的涡流管是稳定且轮廓分明的物体。

汤说：“它们本质上是在混乱的风暴中旋转的微小龙卷风，但具有极薄的空心。” “即使用最坚固的显微镜，也无法用肉眼看到它们。”

“为解决这个问题，我们在低温实验室进行了实验，我们在氦气中添加了示踪剂颗粒以使其可视化，”国家高磁场实验室的博士后研究员，论文作者鲍然(Shiran Bao)补充道。

研究人员将氘气和氦气的混合物注入到冷的超流氦中。注入后，氘气固化并形成微小的冰粒，研究人员将其用作流体中的示踪剂。

郭说：“就像空气中的龙卷风可以吸入附近的叶子一样，我们的示踪剂也可以在靠近氦气的涡流管中时被困在氦气的涡流管中。”

这种可视化技术并不是新技术，已经被全世界的研究实验室所使用，但是这些研究人员取得的突破是开发了一种新算法，该算法可以使他们区分被涡流捕获的示踪剂和未被捕获的示踪剂。

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