麻省理工学院朱棣文教授 麻省理工学院的物理学家在实验室创造了一种完美的流体，并记录了这种“完美流动”的声音
声音在这种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”
学分:麻省理工学院的克里斯汀·丹尼洛夫 对有些人来说，“完美的水流”的声音可能是森林小溪的轻轻拍打声，也可能是水罐里倒出的水发出的叮当声
对物理学家来说，完美的流动是更具体的，指的是量子力学定律允许的最小摩擦或粘度的流体
这种完美的流体行为在自然界是罕见的，但它被认为发生在中子星的核心和早期宇宙的稀薄等离子体中
现在，麻省理工学院的物理学家已经在实验室里创造了一种完美的流体，并聆听声波如何穿过它
该录音是该小组通过一种被称为费米子的被仔细控制的基本粒子气体发出的一连串声波的产物
可以听到的音高是气体像拨弦一样共振的特定频率
研究人员分析了穿过这种气体的数千个声波，以测量其“声音扩散”，或声音在气体中消散的速度，这与材料的粘度或内耗直接相关
令人惊讶的是，他们发现流体的声音扩散如此之低，以至于可以用摩擦力的“量子”量来描述，摩擦力是由称为普朗克常数的自然常数和流体中各个费米子的质量给出的
这个基本值证实了强相互作用的费米子气体表现为完美的流体，并且在本质上是普遍的
今天发表在《科学》杂志上的研究结果首次证明，科学家已经能够测量完美流体中的声音扩散
科学家们现在可以用这种流体作为其他更复杂的完美流动的模型，来估计早期宇宙中等离子体的粘度，以及中子星内部的量子摩擦——否则这些属性是不可能计算出来的
科学家们甚至能够大致预测他们发出的声音
“听中子星的声音很难，”托马斯·阿·马丁·兹维尔林说
麻省理工学院物理学教授弗兰克
“但现在你可以在实验室里用原子模拟它，摇动原子汤，听听它，就知道中子星的声音了
" 虽然中子星和该团队的气体在大小和声音传播速度方面存在很大差异，但根据一些粗略的计算，兹维尔林估计，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——“如果你能靠近耳朵而不被重力撕裂，”他补充道
Zwierlein的合著者是麻省理工学院-哈佛超冷原子中心的首席作者Parth Patel、严振杰、Biswaroop Mukherjee、Richard Fletcher和Julian strike
轻点，听，学 为了在实验室中创造出完美的流体，兹维尔林的团队产生了一种强相互作用的费米子气体——基本粒子，如电子、质子和中子，它们被认为是所有物质的组成部分
费米子是由它的半整数自旋来定义的，这一性质阻止了一个费米子与附近的另一个费米子呈现相同的自旋
这种独特的性质使得元素周期表中的原子结构多样化
“如果电子不是费米子，而是乐于处于相同的状态，那么氢、氦和所有原子，以及我们自己，看起来都是一样的，就像一些可怕的、无聊的汤，”兹维尔林说
费米子自然更喜欢彼此分开
但是当它们被制造成强相互作用时，它们可以表现为一种完美的流体，具有非常低的粘度
为了创造这样一种完美的流体，研究人员首先使用激光系统来捕获锂-6原子气体，这种气体被认为是费米子
研究人员精确地配置激光器，在费米子气体周围形成一个光学盒
激光经过调整，使得无论何时费米子碰到盒子的边缘，它们都会弹回到气体中
此外，费米子之间的相互作用被控制在量子力学允许的最强水平，因此在盒子内部，费米子每次相遇都必须相互碰撞
这使得费米子变成了完美的流体
“我们必须制造一种密度均匀的流体，只有到那时，我们才能在一侧轻敲，倾听另一侧的声音，并从中学习，”兹维尔林说
“实际上很难到达这个地方，在那里我们可以用这种看似自然的方式使用声音
" “完美流动” 研究小组随后通过简单地改变其中一面墙壁的亮度，将声波发送到光学盒的一侧，以特定的频率在液体中产生类似声音的振动
他们记录了每一次声波穿过时流体的数千张快照
“所有这些快照一起给了我们一个超声波图像，这有点像在医生办公室做超声波检查时所做的，”兹维尔林说
最后，他们能够观察到流体的密度波动对每种声波的反应
然后，他们寻找产生共振的声音频率，或流体中的放大声音，类似于在酒杯中唱歌，并找到它破碎的频率
“共振的质量告诉我流体的粘度，或者说声音扩散率，”兹维尔林解释道
“如果一种流体的粘度很低，如果以正确的频率撞击，它会产生很强的声波，并且声音很大
如果它是一种非常粘的流体，那么它不会有任何好的共振
" 根据他们的数据，研究人员观察到流体中有清晰的共振，尤其是在低频时
根据这些共振的分布，他们计算了流体的声音扩散
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，气体是一种完美的流体，本质上是基本的:它的声音扩散，因此它的粘度，处于量子力学设定的最低可能极限
Zwierlein说，除了使用这些结果来估计更多外来物质(如中子星)的量子摩擦，这些结果还有助于理解某些材料是如何表现出完美的超导流的
“这项工作直接与材料中的电阻有关，”兹维尔林说
“找出气体的最低电阻后，我们就可以知道材料中的电子会发生什么，以及如何制造出电子可以完美流动的材料
太令人兴奋了
"
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