Квантовая турбулентность - Quantum turbulence

Квантовая турбулентность это имя, данное бурный поток - хаотическое движение жидкости при высоких расходах - квантовых жидкостей, таких как сверхтекучие жидкости которые были охлаждены до температур, близких к абсолютному нулю.

Вступление

Смоделированный клубок вихрей, представляющий квантовую турбулентность в кубическом объеме и показывающий квантованные вихри

Турбулентность классических жидкостей - обычное явление, которое легко наблюдать в течении ручья или реки. При открытии водопроводного крана можно заметить, что сначала вода вытекает обычным образом (так называемый ламинарный поток), но если открыть кран на более высокий расход, поток становится украшенным нерегулярными выпуклостями, непредсказуемо разделяющимися на несколько прядей, когда они разбрызгиваются в постоянно меняющемся потоке, известном как турбулентный поток. Турбулентный поток состоит из областей циркулирующей жидкости произвольного размера, называемых вихрями и вихрями, которые могут быть упорядочены, вызывая крупномасштабные движения, такие как торнадо или водовороты, но в целом они совершенно нерегулярны.

В обычных условиях все жидкости обладают сопротивлением потоку, называемым вязкостью, которое управляет переключением с ламинарного потока на турбулентный и вызывает ослабление турбулентности (например, после перемешивания чашки кофе она в конечном итоге возвращается в состояние покоя). . Сверхтекучая жидкость - это жидкость, которая не имеет вязкости или сопротивления потоку, а это означает, что обтекание замкнутого контура будет длиться вечно. Эти странные жидкости существуют только при температурах, близких к абсолютному нулю, будучи фактически более упорядоченным и отдельным жидким состоянием, возникающим из-за макроскопического влияния квантовой механики, вызванного вовлеченными низкими температурами.

Несмотря на отсутствие вязкости, в сверхтекучей среде возможна турбулентность. Это было впервые теоретически предположено Ричардом Фейнманом в 1955 г.[1] и вскоре был обнаружен экспериментально. Поскольку течение сверхтекучей жидкости является по своей сути квантовым явлением (см. макроскопические квантовые явления и сверхтекучий гелий-4 ) турбулентность в сверхтекучих жидкостях часто называют квантовой турбулентностью, чтобы отразить ключевую роль, которую играет квантовая механика. Недавний обзор квантовой турбулентности дал Скрбек.[2]

В этих так называемых «сверхтекучих жидкостях» вихри имеют фиксированный размер и идентичны. Это еще одно поразительное свойство сверхтекучих жидкостей, которое сильно отличается от случайных вихрей в классической жидкости, и возникает из квантовой физики, эффекты которой становятся заметными в большем масштабе при низких температурах. Таким образом, квантовая турбулентность представляет собой клубок этих квантованных вихрей, что делает ее чистой формой турбулентности, которую намного проще моделировать, чем классическую турбулентность, в которой бесчисленные возможные взаимодействия вихрей быстро делают проблему слишком сложной, чтобы можно было предсказать, что именно. случится.

Турбулентность в классической жидкости часто моделируется просто с помощью виртуальных вихревых нитей, вокруг которых существует определенная циркуляция жидкости, чтобы понять, что происходит в жидкости. В квантовой турбулентности эти вихревые линии реальны - их можно наблюдать, и они имеют очень определенную циркуляцию - и, более того, они обеспечивают всю физику ситуации.

Двухжидкостная модель

Гелий II теоретически целесообразно рассматривать как смесь нормальной и сверхтекучей жидкости, имеющую общую плотность, равную сумме плотностей двух компонентов. Нормальная часть ведет себя как любая другая жидкость, а сверхтекучая часть течет без сопротивления. Пропорции двух компонентов непрерывно изменяются от всей нормальной жидкости при температуре перехода (2,172 К) до всей сверхтекучей жидкости при нулевой температуре. Подробнее читайте в статьях на сверхтекучий гелий-4 и макроскопические квантовые явления.

При турбулентности нормальная жидкость ведет себя как классическая жидкость и имеет классическое турбулентное поле скорости, когда сверхтекучая жидкость испытывает турбулентность. Однако в сверхтекучем компоненте завихренность ограничивается квантованными вихревыми линиями, и вязкая диссипация отсутствует. В турбулентности вихревые линии располагаются нерегулярно, и это описывается как «клубок вихрей». Этот вихревой клубок опосредует взаимодействие между сверхтекучей и нормальной компонентами, известное как взаимное трение.

Экспериментальные разработки

Сверхтекучесть «естественно» наблюдается только в двух жидкостях: гелии-4 и более редком изотопе гелии-3. Квантовая турбулентность была впервые открыта в чистом виде. 4Он в противотоке (где нормальная и сверхтекучая компоненты движутся в противоположных направлениях), генерируемый постоянным тепловым током. Видеть сверхтекучий гелий-4. Поскольку двухжидкостная модель и, следовательно, сама противоток уникальна для сверхтекучих жидкостей, эта противоточная турбулентность не наблюдается классически; Первые наблюдения турбулентности с прямыми классическими аналогами произошли гораздо позже, благодаря исследованию колебаний давления во вращательном потоке и сеточной турбулентности.

В 3Он-4Он смешивает, как в холодильники разбавления, квантовая турбулентность может быть создана намного ниже 1 К, если скорости превышают определенные критические значения.[3] Для скоростей выше критической существует диссипативное взаимодействие между сверхтекучей компонентой и 3Тот, который называется взаимным трением.

Второй звук

Второй звук - это волна, в которой плотности сверхтекучей и нормальной составляющих колеблются в противофазе друг с другом. Большая часть наших знаний о турбулентности в сверхтекучих жидкостях происходит из измерения затухания второго звука, которое дает меру плотности вихревых линий в сверхтекучей жидкости.

Теоретические разработки

Идея о возможной форме турбулентности в сверхтекучей жидкости через квантованные вихревые линии была впервые предложена Ричард Фейнман. С тех пор теоретическое понимание квантовой турбулентности поставило множество задач, некоторые из которых аналогичны задачам классической механики жидкости, но также возникли новые явления, характерные для сверхтекучих жидкостей и не встречающиеся где-либо еще. Некоторые теоретические работы в этой области носят довольно спекулятивный характер, и есть ряд областей расхождения между теоретическими предположениями и тем, что было получено экспериментально.

Компьютерное моделирование играет особенно важную роль в развитии теоретического понимания квантовой турбулентности.[4][5] Они позволили проверить теоретические результаты и разработать модели вихревой динамики.

Численное моделирование вихревых клубков, основа для вихревых пересоединений,[6] связи между связками недавно исследованы.

Рекомендации

  1. ^ Р.П. Фейнман (1955). «Приложение квантовой механики к жидкому гелию». II. Прогресс в физике низких температур. 1. Амстердам: Издательская компания Северной Голландии.
  2. ^ Л. Скрбек (2011). «Квантовая турбулентность». Journal of Physics: Серия конференций. 318 (1): 012004. Bibcode:2011JPhCS.318a2004S. Дои:10.1088/1742-6596/318/1/012004.
  3. ^ J.C.H. Зигерс; R.G.K.M. Аартс; A.T.A.M. de Waele и H.M. Гийсман (1992). "Критические скорости в 3Он-4Он смеси ниже 100 мК ». Физический обзор B. 45 (21): 12442–12456. Bibcode:1992PhRvB..4512442Z. Дои:10.1103 / PhysRevB.45.12442.
  4. ^ К.В. Шарц (1983). «Критическая скорость для самоподдерживающегося вихревого клубка в сверхтекучем гелии». Письма с физическими проверками. 50 (5): 364. Bibcode:1983ПхРвЛ..50..364С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.50.364.
  5. ^ R.G.K.M. Aarts & A.T.A.M. де Веле (1994). «Численное исследование реологических свойств He II». Физический обзор B. 50 (14): 10069–10079. Bibcode:1994ПхРвБ..5010069А. Дои:10.1103 / PhysRevB.50.10069.
  6. ^ A.T.A.M. de Waele & R.G.K.M. Аартс (1994). «Путь к переподключению вихря». Письма с физическими проверками. 72 (4): 482–485. Bibcode:1994ПхРвЛ..72..482Д. Дои:10.1103 / PhysRevLett.72.482. PMID  10056444.

дальнейшее чтение

Смотрите также