星空电竞 解决物理学中剩余难题的关键在于量子世界
- 定律与我们生活的世界不同的“量子”世界会发生什么？近年来，在宏观层面上出现基于量子力学的行为的“量子流体”中出现的“涡流”，作为解决物理学中最困难的“湍流”问题的关键而受到关注。小林副教授和他的同事在世界上首次成功模拟了量子流体中的湍流。我们已经实现了“涡流运动的可视化”，这对于我们周围的普通流体来说是很难实现的，并且在计算机上实现了大约 500 年前列奥纳多·达·芬奇留下的“湍流由涡流组成”的信息。
什么是在极低温度下表现出神秘行为的“量子流体”？
在自然界中，基于群体的有序结构以不同的尺度出现。例如，当水的温度逐渐降低时，随机排列的分子开始有序排列，形成冰。当许多恒星聚集在一起形成星系时，它们开始以单个恒星无法看到的有序方式移动。 “金属导电并变成磁铁的事实涉及群体力。此外，已证实人体细胞聚集在一起时会表现出秩序。''
为了阐明从浩瀚的宇宙到微观原子的群体现象的奥秘，了解不可见的微观世界非常重要。小林副教授充分利用计算机模拟和数学来深入研究未解决的问题，以可视化神秘的微观世界中发生的事情。
“实际上，不仅是原子和电子的小世界，就连极冷的世界也受量子力学支配，”小林副教授说。 -27315℃，被认为是自然界的最低温度。量子流体是在接近绝对零的极低温度下的液体和气体，在宏观尺度上表现出基于量子力学的行为。 “在极低的温度下，液体和气体的粘度，即阻碍其流动的力，变为零。例如，在所有物质中，液氦是唯一不冻结的物质，它是一种量子流体，一旦流动，就会表现出永远持续流动的超流体现象。类似的现象也发生在超导性中，超导性发生在金属等固体中，其中固体内部变成了量子流体。”
量子模拟揭示了湍流与涡流之间的关系
就像我们周围的普通流体一样，当你搅拌量子流体时，就会产生漩涡。然而，量子流体涡旋的形状和结构与普通流体完全不同。
“例如，用手搅拌水时，会产生单个粗大的漩涡，随着旋转速度的增加，漩涡会变得越来越粗。而量子流体中的漩涡具有细绳状的结构，当许多小漩涡聚集在一起时，就会形成一个大漩涡。也就是说，当你高速搅拌水时，会产生无数细小的漩涡，最终它们会规则地排列成一个网格。”
量子流体中的涡流表现出如此神秘的行为，近年来引起了人们的关注。这种现象起源于大约500年前列奥纳多·达·芬奇的湍流草图以及关于湍流与涡流之间关系的信息。
自然界中存在着各种各样的流动，例如台风、龙卷风引起的风暴、暴涨的河流的流动，但这些流动大多是复杂且湍急的。尽管各个领域对湍流的机理和特征进行了大量的研究，但尚未完全阐明。
“例如，很难预测天气，因为很难预测大气的流动，而大气是湍流的。它只是随机流动，还是其复杂性存在某种规律？湍流被认为是物理学中最难解决的问题之一。”
涡旋是理解湍流的关键。达芬奇是第一个提到这一点的。他生前绘制了湍流草图，并留下了“湍流是由不同大小的涡流及其层次结构组成”的信息。小林副教授和他的同事一直在进行研究，看看是否有可能用量子流体来阐明达芬奇的概念。
“自然界中存在的漩涡在不知不觉中出现然后消失，因此无法清楚地显示它们在哪里。另一方面，在量子流体中，漩涡的厚度是恒定的，它们不会突然消失。换句话说，由于量子漩涡是可见的，所以我们认为在湍流中可能会看到漩涡。”
在实际模拟中，我们发现，当我们在量子流体中产生湍流时，无论流动变得多么复杂，我们都可以清楚地看到涡流的运动及其位置。也就是说，他在世界上首次成功地用量子流体模拟了湍流，并揭示了量子流体中涡流以清晰的形式存在，并且这些涡流形成了湍流。此外，他们发现普通湍流和量子湍流几乎相似，这表明量子湍流可能有助于解决湍流之谜。
“通过一系列的研究，我们揭示了达芬奇的信息确实存在于量子流体产生的量子湍流中。量子力学已经解决了固体的许多谜团，并成为现代科学的基础。接下来，对量子湍流的研究可能会为阐明湍流提供突破。”
通过模拟可视化无形世界的乐趣
事实上，最近有一些天体被认为是量子流体。那是一颗“中子星”。虽然它的质量与太阳相同，但它的半径只有几十公里。它的内部充满了中子，中子是构成原子的基本粒子之一，其特点是密度极高。已经证实，中子星中发生了一种神秘现象，即在很短的时间内发射无线电波。如果内部是量子流体，那么基于量子力学的行为与这种神秘现象有何关系？带着这些问题，小林副教授也正在进行中子星主题的新研究。
“我们进行了模拟，研究中子星中产生的量子涡旋的结构。我们发现它们与地球上形成的量子涡旋完全不同；在中子星中，当量子涡旋数量增加时，它们会像弦一样不断纠缠在一起，当达到饱和时，所有涡旋都会释放到外部。我们还了解到，这种运动可能与神秘的无线电有关。信号。”
一种量子流体，其行为与流体的常识相去甚远。小林副教授因母校大阪市立大学的环境而发现了这一领域并继续他的研究。
“大阪市立大学从那时起就一直积极研究量子流体力学，是国内唯一一所拥有量子流体实验知识和技术的学校。它还有很多现象，例如许多恒星聚集在一起形成星系。我一直对原子和电子聚集时发生的现象很感兴趣，我也想了解原子和电子集合的量子世界。所以，我决定利用这个难得的机会环境并跳入这个世界来研究量子流体。”
量子流体模拟需要复杂的数学，这对热爱数学的小林副教授来说是一个挑战，他说：“我在能够可视化不可见的世界中找到了研究的乐趣。”从现在开始，他希望利用大学作为工科系的优势，专注于应用研究。
“目前，我们正在与法国研究团队一起进行研究，模拟直线电机汽车的电力效率。未来，我们希望将实验结合起来，转向对现实世界做出贡献的应用研究。这一点很重要，因为像高知山区这样人造物体很少的环境非常适合作为量子流体实验的基地。
发布日期：2024 年 10 月/报道日期：2024 年 7 月