研究人员提出了一种理论，表明超流体中存在量子粘度，有可能将经典流体力学与量子流体力学联系起来。这种新方法包括分析超流体中球体的下落，试图在量子背景下验证雷诺兹相似，挑战流体动力学中长期存在的信念。来源:SciTechDaily.com

　　每一种液体或气体，从包裹着地球的空气到流经我们血管的血液，都具有一种可测量的特性，即粘度。这一特性决定了流体与任何物质接触时的行为。如果粘度较高，流体就会平静地流动，这种状态被称为层流。当粘度降低时，流体由层流向湍流过渡。

　　层流或湍流的程度被称为雷诺数，它与粘度成反比。动力学相似或雷诺相似的雷诺定律指出，如果两种流体在不同长度尺度的类似结构周围流动，只要它们具有相同的雷诺数，它们在流体动力学上是相同的。

　　量子超流体和雷诺相似

　　然而，这种雷诺相似并不适用于量子超流体，因为它们没有粘度——至少，研究人员是这么认为的。现在，日本大阪都市大学南洋一郎理论和实验物理研究所的一名研究人员已经提出了一种检验超流体中雷诺兹相似的理论方法，该方法可以证明超流体中存在量子粘度。

　　(上)在T=0时不存在量子涡，阻力为零。(下)粗粒度的量子涡旋可以通过形成由量子粘度定义的高雷诺数的湍流尾迹来重现雷诺相似的预测。插图代表了湍流尾流中量子漩涡的微观视图。来源:大阪城市大学Hiromitsu Takeuchi

　　大阪城市大学理科研究生院讲师竹内博光博士最近在《物理评论B》上发表了他的方法。

　　颠覆传统理论部分

　　“长期以来，超流体一直被认为是雷诺相似定律的一个明显例外，”竹内说。他解释说，雷诺相似定律表明，如果两股流体的雷诺数相同，那么它们在物理上是相同的。“量子粘度的概念推翻了超流体理论的常识，这一理论已有半个多世纪的悠久历史。建立超流体的相似性是统一经典流体力学和量子流体力学的重要一步。

　　然而，量子超流体可以有湍流，这就产生了一个量子难题:流体中的湍流需要耗散，那么没有粘性的超流体湍流如何经历耗散呢?它们必须有耗散，并可能遵循雷诺相似，但正确的方法来检验它尚未发展。

　　竹内博士的理论是，这些特征可以通过分析一个固体球体如何落入超流体来检验。通过将球体下落的最终速度与球体在下落过程中遇到的流体阻力结合起来，研究人员可以确定雷诺兹相似度的类似物。这意味着有效粘度，称为量子粘度，是可以测量的。

　　“这项研究的重点是理解超流体中的量子湍流的一个理论问题，并表明，超流体中的雷诺兹相似可以通过测量物体在超流体中下落的最终速度来验证，”竹内博士说。“如果可以进行验证，那么这表明即使在绝对零度的纯超流体中也存在量子粘度。我迫不及待地想看到它通过实验得到验证。”

　　参考文献:“量子粘度和纯超流体的雷诺兹相似”，由Hiromitsu Takeuchi, 2024年1月11日，物理评论B. DOI: 10.1103/PhysRevB.109.L020502

　　该研究由日本科学技术振兴机构、日本科学促进协会和大阪城市大学(OMU)战略研究促进项目资助。