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最新研究證明：三維經(jīng)典流體和超流體之間的差異！

2019-06-29 11:55 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

Weizmann科學(xué)研究所、羅馬大學(xué)、CNRS和赫爾辛基大學(xué)的研究人員新進(jìn)行了一項研究，研究了經(jīng)典流體和超流體(如氦)中三維各向異性湍流之間的差異。

其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《物理評論快報》(PRL)上，得到了理論和實驗證據(jù)的支持。開展這項研究的研究人員之一伊塔瑪爾·普魯卡西亞(Itamar Procaccia)說：目前研究是由我們在以色列魏茨曼研究所(Weizmann Institute, Israel)的團(tuán)隊發(fā)起，由維克多·L'vov、伊塔瑪爾·普魯卡西亞(Itamar Procaccia)和安娜·波米亞洛夫(Anna Pomyalov)組成

試圖理解來自佛羅里達(dá)州立大學(xué)(Florida State University)郭偉教授、塔拉哈西大學(xué)(Tallahassee)和布拉格查爾斯大學(xué)(Charles University)的拉迪斯拉夫·斯克貝克(Ladislav Skrbek)教授的團(tuán)隊進(jìn)行的新奇實驗觀察。主要目標(biāo)是了解不同尺度的湍流渦旋在經(jīng)典粘性流體(如空氣和水)和低溫超流體(如氦)中能量分布的驚人差異。在自然界和實驗室環(huán)境中，所有湍流在能量注入尺度上都是各向異性的，這意味著它們湍流渦旋之間的能量分布不同。以往的研究表明，均勻各向同性湍流模型(HIT)對于預(yù)測比攪拌尺度小得多。

但比耗散尺度大得多的湍流統(tǒng)計特性特別有效。在經(jīng)典流體中，三維各向異性湍流隨著尺度的減小而趨于各向同性和均勻性，因此最終將HIT模型應(yīng)用于三維各向異性湍流是可能的。然而在研究中，Procaccia和同事證明，在三維反流通道幾何中，超流體4He湍流的情況正好相反。使用的方法涉及到超流氦所謂“雙流體模型”。這個模型是基于1940-1941年Laszlo Tisza和Lev Landau的早期工作，后來H. Hall, W.F. Vinen, I.M. Khalatnikov和I。L Bekarevich。該模型將超流氦描述為兩種流體的相互滲透混合物：

一種沒有摩擦的超流體和一種由相互摩擦耦合的正常粘性流體。佛羅里達(dá)塔拉哈瑟和布拉格的兩組研究人員過去對溫度梯度下的超流體氦進(jìn)行了研究，創(chuàng)造了所謂的“逆流”。顧名思義，在逆流中，流體流向相反的不同組分；超流體從冷態(tài)流向熱態(tài)，而正常流體從熱態(tài)流向冷態(tài)。模型使一些實驗觀測結(jié)果合理化，并預(yù)測了一些后來被實驗證實的新特征。研究的主要結(jié)果是，與經(jīng)典湍流在更小尺度上變得越來越蛤同性相反，研究的流動隨著尺度減小變得越來越不蛤同性。在進(jìn)行這項研究之前，Procaccia和同事們從理論上預(yù)測，實驗將得出他們后來收集到的觀察結(jié)果。

然而觀察到的這種效應(yīng)強度只有在他們與盧卡·比費雷爾(Luca Biferale)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組合作，在一臺歐盟超級計算機上進(jìn)行直接數(shù)值模擬之后才變得清晰起來。Procaccia表示，理論和數(shù)值研究結(jié)果已經(jīng)激勵其他實驗小組對逆流湍流進(jìn)行進(jìn)一步的研究。在魏茲曼研究所正在進(jìn)一步發(fā)展這一理論，關(guān)注能夠?qū)Τ黧w氦中的湍流進(jìn)行詳細(xì)研究的新實驗技術(shù)。團(tuán)隊繼續(xù)參與分析新實驗數(shù)據(jù)，希望能對從實驗室實驗到宇宙學(xué)實現(xiàn)(如中子星)的超流體流動有更深入的了解。