从头开始理解量子湍流

大多数人只是将湍流视为空中旅行的一个不愉快特征，但对于物理学家和工程师来说，这也是一个众所周知的复杂问题。使飞机发出嘎嘎声的力在一杯水中甚至在亚原子粒子的漩涡中都在旋转。因为湍流涉及跨越一系列距离和时间尺度的相互作用，这个过程太复杂了，无法通过计算或计算建模来解决——涉及的信息太多了。

科学家们试图通过研究超流体中发生的湍流来解决这个问题，超流体是由称为量子化涡旋的微小相同漩涡形成的。一个关键问题是湍流如何在量子尺度上发生，以及它如何与更大尺度的湍流联系起来。

阿尔托大学的研究人员通过对量子波湍流的一项新研究使这一目标更近了一步。他们的发现发表在《自然物理学》上，展示了对波状运动如何将能量从宏观长度尺度转移到微观长度尺度的新理解，他们的结果证实了关于能量如何在小尺度上耗散的理论预测。

能量如何消失

由高级科学家Vladimir Eltsov领导的研究小组在阿尔托低温实验室的一个独特的旋转超低温冰箱中研究了 Helium-3 同位素中的湍流。他们发现，在微观尺度上，所谓的开尔文波通过不断将能量推向越来越小的尺度来作用于单个涡流——最终导致能量耗散发生的尺度。

“能量如何在超低温下从量子化涡流中消失的问题在量子湍流的研究中一直是至关重要的。我们的实验装置首次在现实世界中证明了开尔文波将能量转移到耗散长度尺度的理论模型，”该研究的主要作者、阿尔托的博士后研究员 Jere Mäkinen说。

飞机、火车和汽车

在未来，从量子层面开始更好地理解湍流可以改进领域中的工程，其中流体和气体(如水和空气)的流动和行为是一个关键问题。

“我们对湍流基本组成部分的研究可能有助于指明方向，以更好地理解湍流中不同长度尺度之间的相互作用。了解经典流体将帮助我们做一些事情，例如改善车辆的空气动力学，更准确地预测天气或控制管道中的水流。Mäkinen 说，在理解宏观湍流方面有大量潜在的现实世界用途。

目前，Eltsov、Mäkinen 和其他人计划去科学带他们去的地方。目前，他们的目标是使用浸没在超流体中的纳米级设备来操纵单个量化涡流。

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