Ученые разрушили один из законов термодинамики и обнаружили другой, применимый к квантовым сверхтекучим жидкостям
Теоретическая основа, направленная на измерение рейнольдсовского подобия в сверхтекучих средах, потенциально может доказать наличие квантовой вязкости. Каждая жидкость или газ: от воздуха, окружающего Землю, до крови, текущей по венам, — обладает измеримым свойством, известным как вязкость.
Это свойство определяет, как ведет себя жидкость при контакте с каким-либо веществом. Если вязкость выше, жидкость течет спокойно (состояние, известное как ламинарное). Если вязкость уменьшается, жидкость претерпевает переход от ламинарного течения к турбулентному.
Степень ламинарного или турбулентного потока называется числом Рейнольдса, которое обратно пропорционально вязкости. Закон динамического подобия Рейнольдса, или подобия Рейнольдса, гласит: если две жидкости текут вокруг одинаковых структур с разными масштабами длины, они гидродинамически идентичны при условии, что имеют одинаковое число Рейнольдса.
Однако это подобие не применимо к квантовым сверхтекучим жидкостям, поскольку они не обладают вязкостью, — по крайней мере так считают исследователи. Теперь Намбу Ёитиро, исследователь из Института теоретической и экспериментальной физики столичного университета Осаки в Японии, выдвинул теорию, как исследовать подобие Рейнольдса в сверхтекучих средах, которое могло бы продемонстрировать существование квантовой вязкости в сверхтекучих средах.
«Сверхжидкости долгое время считались очевидным исключением из подобия Рейнольдса, — сказал доктор Такеучи. — Концепция квантовой вязкости лишает здравого смысла теорию сверхтекучести, история которой насчитывает более полувека. Установление подобия в сверхтекучих средах является важным шагом на пути к объединению классической и квантовой гидродинамики».
Однако квантовые сверхтекучие жидкости могут иметь турбулентность, что приводит к квантовому затруднению: турбулентность в жидкостях требует диссипации, так как же может сверхтекучая турбулентность испытывать диссипацию без вязкости? Они должны иметь рассеивание и могут следовать подобию Рейнольдса, но правильный подход к его исследованию еще не был разработан. Эти характеристики можно изучить, предполагает доктор Такеучи, анализируя, как твердая сфера превращается в сверхтекучую, объединив конечную скорость падения сферы с сопротивлением, которое сфера встречает со стороны жидкости при падении.
Исследователи могут определить аналог подобия Рейнольдса — это означает, что можно измерить эффективную вязкость, называемую квантовой вязкостью. «Это исследование фокусируется на теоретической проблеме понимания квантовой турбулентности в сверхтекучих средах и показывает, что подобие Рейнольдса в сверхжидких средах может быть проверено путем измерения конечной скорости объекта, падающего в сверхтекучей жидкости, — сказал доктор Такеучи. — Если эта проверка может быть сделана, то это предполагает, что квантовая вязкость существует даже в чистых сверхтекучих средах при абсолютном нуле. Мне не терпится увидеть, как это будет подтверждено экспериментами».
Тепло — враг квантовой неопределенности. Упорядочив поглощающие свет молекулы, физики из Японии сохранили критическое, еще не определенное состояние спинов электронов в течение 100 наносекунд при комнатной температуре. Эта инновация может оказать огромное влияние на прогресс в разработке квантовых технологий, которые не будут зависеть от громоздкого и дорогостоящего охлаждающего оборудования, необходимого в настоящее время для поддержания частиц в так называемой когерентной форме.
