测量超流体中的雷诺相似性如何帮助证明量子粘度的存在
（上）在 T = 0 时，阻力为零，没有量子涡旋。（下）粗粒度量子涡旋可以通过形成具有高雷诺数的湍流尾流来重现雷诺相似的预测，该尾流由量子粘度定义。插图代表了湍流尾流中量子涡旋的微观视图。图片来源：Hiromitsu Takeuchi，大阪都立大学
从地球大气层到泵入人体的血液，每一种流体都有粘度，这是一种可量化的特征，描述了流体在遇到其他物质时会如何变形。如果粘度较高，则流体平静流动，这种状态称为层流。如果粘度降低，流体就会经历从层流到湍流的转变。
层流或湍流的程度称为雷诺数，它与粘度成反比。雷诺动力学相似性定律，也称为雷诺相似性，指出如果两种流体在具有不同长度尺度的相似结构周围流动，则它们在流体动力学上是相同的，前提是它们表现出相同的雷诺数。
然而，这种雷诺相似性并不适用于量子超流体，因为它们没有粘度——至少，研究人员是这么认为的。现在，日本大阪都立大学南部洋一郎理论与实验物理研究所的一名研究人员提出了一种研究超流体中雷诺相似度的方法，该方法可以证明超流体中量子粘度的存在。
大阪城市大学理学研究生院讲师Hiromitsu Takeuchi博士在《物理评论B》上发表了他的方法。
“长期以来，超流体一直被认为是雷诺相似性的明显例外，”竹内博士说，并解释说，雷诺相似定律指出，如果两个流动具有相同的雷诺数，那么它们在物理上是相同的。“量子粘度的概念颠覆了超流体理论的常识，超流体理论已有半个多世纪的悠久历史。在超流体中建立相似性是统一经典流体动力学和量子流体动力学的重要一步。
然而，量子超流体可能会有湍流，从而导致量子困境：流体中的湍流需要耗散，那么超流体湍流如何在没有粘度的情况下经历耗散呢？它们必须具有耗散，并且可能遵循雷诺相似性，但尚未开发出正确的方法来检查它。
竹内博士认为，这些特征可以通过分析固体球体如何落入超流体来检查。通过将球体下落的终端速度与球体下落时遇到的流体阻力相结合，研究人员可以确定雷诺相似性的模拟。这意味着可以测量称为量子粘度的有效粘度。
“这项研究的重点是理解超流体中量子湍流的理论问题，并表明超流体中的雷诺相似性可以通过测量物体落入超流体中的终端速度来验证，”竹内博士说。
“如果可以进行这种验证，那么这表明量子粘度即使在绝对零度的纯超流体中也存在。我迫不及待地想看到它通过实验得到验证。
更多信息：Hiromitsu Takeuchi，量子粘度和纯超流体的雷诺相似性，物理评论 B （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevB.109.L020502
期刊信息： Physical Review B
来自：量子梦