声音在量子气体中传播时,有两种声速

声音在量子气体中传播时,有两种声速

科学家们观察到,声波在量子气体中以两种不同的速度运动。也就是说,如果你把自己泡在这种量子气态环境中,同一个声音会听到两次。

这是超流体领域的一项重要发展——超流体是没有粘度的流体,可以在没有任何能量损失的情况下流动。

值得注意的是,在气体中观察到的密度和速度行为与朗道的双流体模型设定的参数相匹配,该模型是 1940 年代为超流氦开发的理论。在很大程度上,似乎在涉及量子气体时,适用于同样的规则。

研究人员在论文中写道:“这些观察结果证明了高度可压缩气体的双流体理论的所有关键特征。”

我们应该提醒大家,不要在家里尝试把自己浸入量子气体中,但我们怀疑你能否做到:在这个实验中,科学家将钾原子气体冷却到绝对零以上不到百万分之一度,将原子困在近似真空环境中。

这部分形成了所谓的玻色-爱因斯坦凝聚物,其中能量非常少,原子几乎没有移动或相互作用。然后人为地增加它们的相互作用,使气体变成流体动力学性态的——换句话说,更像流体。

但是由于玻色-爱因斯坦凝聚物仍然保持着很高的可压缩性——和空气一样——它仍然是一种气体。所以获得的不是两种性质略有不同的液体,而是一种冷凝和非冷凝气体,导致存在两种声速。

研究人员写道:“我们在 3D 超冷波色气体中观察到第一和第二声音,这种气体具有足够强的相互作用以成为流体动力学,但仍然具有高度可压缩性。我们发现朗道的双流体理论捕捉了该系统的所有基本特征,第一和第二声音模式分别主要以正常和超流体成分的波动为特征。”

当液体和气体开始表现出量子力学特性时,它们就变成了量子——与支配宇宙经典物理学的那些定律相比,它们开始遵循一套不同的定律。

在这种情况下,气体的量子性质解释了声音的速度——一种是典型的压缩粒子波,另一种是像粒子一样的热波动。

所有这些都增进了我们对量子流体动力学的了解。这样的见解将对未来的研究和观察有用。

通常情况下,显示声音在量子气体中以两种不同的速度运动将成为未来几年其他类型研究和实验的跳板。

“对微观和流体动力学特性的实验访问为进一步研究 波色流体提供了极好的机会。特别是,探索较低的温度会很有趣。”研究人员写道。

该研究已发表在《物理评论快报》上。

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