用量子气体捕捉湍流的产生
在玻色气体中观测湍流的发生使研究人员可以探索湍流究竟是如何形成的。
M. Gałka et al. [1]
湍流是一种复杂的，混沌的流体运动，从海浪到恒星内部的很多系统中都可以观察到的现象。尽管经历了超过一个世纪的努力，但物理学家仍然未建立起湍流的完备理论。近日来自剑桥大学的Maciej Gałka及其同事们已经在这个方向上迈出了一步：他们观测到量子气体中湍流的发生，其演化过程持续了大约100毫秒[1]。这一发现将帮助科学家们解决关于湍流的诸多开放性问题。
Gałka及其同事把一组钾原子冷却到小于1 µK，并用激光将原子云压缩成一个二维薄饼。然后他们激发系统，使得系统能够支撑其密度在长波时振荡——Gałka把这个过程比作是吉他弦振动，使它在其基本模式下振动。
他们发现随着能量通过气体传播，最初的激发波长迅速耗散，出现较短的波长。起初这些短波长只是沿着薄饼的一个轴在振荡，但是大概10毫秒之后，能量开始在所有方向上传播。这个变化冲刷掉了气体整齐的振荡，并且随着湍流的出现，气体的密度图案越来越混沌。
科学家们已经研究了多种流体中的湍流，但是Gałka指出，在绝大多数的研究中，只观测到了系统的末态。用量子气体，他们可以捕捉到在所有相关长度和时间尺度上湍流的演化，从气体的第一次激发到发展成完全混沌的行为。Gałka表示，量子气体相对来说是湍流问题中的新成员。他们希望研究量子气体能够帮助揭示出湍流现象新的见解。