科学家首次证明了声音在完美流体中的扩散，物理学的又一突破

• 麻省理工学院的物理学家们在实验室里创造了一种完美的流体，并记录了这种“完美流体”的声音。声音在流体中传播的方式可以用来计算中子星和其他完美流体中的声音和“量子摩擦”。

对一些人来说，“完美流体”的声音可能是森林小溪的轻拍声，或者是水罐里水的叮当声。对物理学家来说，完美流体指的是在量子力学定律允许的条件下，具有最小摩擦力或黏性的流体。这种完美的流体行为在自然界中是罕见的，但它被认为发生在中子星的核心和早期宇宙的液态等离子体中。

现在，麻省理工学院的物理学家们在实验室里创造了一种完美的流体，并聆听了声波是如何通过流体传播的。这段录音是该小组通过一种被称为费米子、由基本粒子精心控制的气体发出的声波的衰减产物。可以听到的音高是特定频率的气体共振，就像拨弦一样。

研究人员分析了通过这种气体传播的数千种声波，以测量它的“声音扩散”，也就是声音在气体中消散的速度，这直接与材料的黏性或内摩擦有关。令人惊讶的是，他们发现流体的声音扩散是如此之低，以至于可以用一个“量子”摩擦量来描述，这个摩擦量由一个被称为普朗克常数的自然常数和流体中单个费米子的质量给出。

这个基本值证实了强相互作用的费米子气体是一种完美的流体，在自然界是普遍存在的。今天发表在《科学》杂志上的研究结果，首次证明了科学家能够测量声音在完美流体中的扩散。

科学家们现在可以用这种流体作为其他更复杂的完美流体的模型，来估计早期宇宙中等离子体的粘度，以及中子星中的量子摩擦——否则这些特性是无法计算的。科学家甚至可以大致预测它们发出的声音。

“听中子星的声音是相当困难的，”麻省理工学院物理学教授马丁说。“但现在你可以在实验室里用原子模拟它，摇晃那道“原子汤”，听听它的声音，就知道中子星会发出什么样的声音。”

而中子星和研究小组的气体在大小和声音传播速度上差别很大，根据一些粗略的计算，这颗恒星的共振频率将与气体的共振频率相似，甚至可以听到。

为了在实验室中创造完美的流体，马丁的团队产生了一种具有强烈相互作用的费米子气体，费米子是基本粒子，如电子、质子和中子，被认为是构成所有物质的基石。费米子的定义是它的自旋为半整数，这一特性阻止一个费米子与另一个附近的费米子自旋相同。这种排他性使得元素周期表中的原子结构具有多样性。

研究人员说：“如果电子不是费米子，而是处于相同状态的电子，那么氢、氦以及所有的原子，还有我们自己，就会看起来一样。”

费米子喜欢彼此分开。但当它们被制成具有强烈的相互作用时，它们就可以表现为具有极低粘度的完美流体。为了创造出如此完美的流体，研究人员首先使用了一个激光系统来捕获锂-6原子气体。

研究人员将激光精确地配置成一个围绕费米子气体的光学盒。当费米子撞击到盒子边缘时，激光器就会被调整回气体中。同时，费米子之间的相互作用被控制在量子力学允许的范围内，所以在盒子里，费米子必须在每次碰撞中相互碰撞。这使得费米子变成了完美的流体。

研究人员说：“我们必须制造出密度均匀的液体，只有这样我们才能轻敲一边，倾听另一边，并从中学习。”“要达到这样一个境界，我们可以用这种看似自然的方式来使用声音，实际上是相当困难的。”

以完美的方式流动

研究小组通过简单地改变光盒的一面墙壁的亮度，让声波通过特定频率的流体产生类似声音的振动。他们记录了数千张流体的快照，每一个声波都经过。最后，他们能够观察到液体的密度对每种声波的反应。然后，他们寻找能在液体中产生共振或放大的声音的频率，类似于对着酒杯唱歌，并找到它破碎的频率。

“共振的质量告诉我流体的黏性，或声音的扩散率，”茨维尔莱因解释说。“如果一种液体黏性很低，它就能产生非常强烈的声波，而且声音很大。如果它是一种黏性很强的流体，那么它就没有任何好的共振。”

从他们的数据中，研究人员观察到液体中有清晰的共振，特别是在低频时。根据这些共振的分布，他们计算出了流体的声音扩散。他们发现，这个值也可以通过普朗克常数和气体中平均费米子的质量非常简单地计算出来。

这告诉研究人员，这种气体是一种完美的流体，它的声音扩散是在量子力学可能设定的最低限度。除了使用这些结果来估计在更奇异的物质（如中子星）中的量子摩擦，这些结果还有助于理解某些物质如何表现出完美的超导流。这直接与材料的电阻有关，通过计算气体的最低阻力是多少，我们知道了电子在材料中会发生什么，以及如何让电子以完美的方式流动。