听，完美流体的声音

果壳

以下文章来源于原理，作者萌大统领

原理科学，照亮黑暗的蜡烛。

什么是“完美流体”？对有的人来说，完美流体可能是森林里轻声拍打的小溪，也可能是大江大河里奔腾翻滚的河流，亦有可能是庭院深处从屋檐坠落在水缸的水滴……

但对物理学家来说，这个问题有着更具体的答案，因为他们对“完美流体”有着更清晰的定义。完美流体指的是在量子力学定律允许的条件下，具有最小摩擦力或最小黏性的流体。这样的完美流体在自然界中或许非常罕见，但可能存在于中子星的核心和早期宇宙的液态等离子体中。

这样的完美流体的声音会是怎样的？我们无法听到中子星内部会产生怎样的声音，但是最近，一个物理学家团队在实验室创造出了一种完美流体，他们记录了由这种流体所发出的声音，这是对完美流体中的声音扩散率的首个测量。研究人员将实验结果发表在了近期的《科学》杂志上。

有理论表明，中子星的核心包含由费米子组成的强相互作用物质。费米子是一类自旋为半整数的基本粒子，电子、质子和中子都属于费米子，它们被认为是构成所有物质的基石。费米子“天生”喜欢彼此分离，因此，当它们“被迫”在不得已的情况下要进行强相互作用时，就会表现为具有极低黏性的完美流体。

为了在实验室中创造出这样的完美流体，研究人员首先利用一个激光系统来捕获锂-6原子气体。这是一种可被视作为费米子的粒子，在实验中，它们被困在一个由绿色激光束制成的三维圆柱形“容器”中。

锂-6原子被困在由激光制成的“容器”中。|Patel et. al./ Science

围绕着锂-6原子气体的激光“容器”可以被精准、细致地操控，使得当原子撞击到“容器”边缘时，会被回弹到气体中。同时，原子之间的相互作用被控制在量子力学允许的范围内，因此在这个容器中，这些原子会在每次相遇时都发生相互碰撞。这个过程可以使得这些费米子气体变成完美流体。

接着，通过改变“容器”的一个面的亮度，研究人员可以让声波穿过“容器”的这一面，从而在特定频率上产生像声音一样的振动。每当有这样的声波通过时，他们就拍下一个快照。在收集了数千张流体快照之后，他们将所有的快照结合在一起，生成了一个声像图。

最后，通过观察流体密度对每种声波的反应，他们可以找出能在流体中产生共振或者会放大声音的频率。通过分析录音中的共振，研究人员分析了通过这种气体的数千个声波，从而判断出流体的黏性，以及声音扩散率，也就是声音在气体中消散的速度（这一特性直接与材料的黏性或内摩擦有关）。如果一种流体的黏性很低，那么当以恰好的频率撞击时，它将能产生非常强的声波了；如果一种流体的黏性很强，那么它不会出现任何高质量的共振。

完美流体的声音 来自果壳 00:00 00:30

音频来源：MIT

从实验数据中，研究人员观察了到流体中出现了清晰的共振，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率，发现这个数值非常低，低到足以用一个“量子”摩擦量来描述——这一量子摩擦量可以简单地通过普朗克常数和气体中的单个费米子的质量计算出来。这一数值证实了，实验中所使用的强相互作用费米子气体的确是一种完美流体，并且它的声音扩散以及它黏性，是在量子力学所允许的最低限度内。

现在，这种流体可被用作为其他一些更为复杂的完美流体的模型，从而帮助科学家计算早期宇宙中等离子体的黏性，以及中子星内的量子摩擦——这些特性在其他情况下是无法计算的。

这项研究甚至还能帮助科学家在未来大致预测出中子星的声音。在这项研究成果到来之前，想要聆听中子星的声音是一件相当困难的事。但现在，他们可以在实验室里利用原子来对此进行模拟，或许将来科学家只需通过晃动“原子汤”，就能知道中子星会发出什么样的声音。

研究人员表示，除了使用这些结果来计算在如中子星一类的奇异物质中的量子摩擦之外，这一结果还有助于理解某些物质如何表现出完美的超导流。这项研究将直接与材料的电阻有关，通过计算气体的最低阻力是多少，来获悉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。

封面图来源：Christine Daniloff / MIT

参考来源：

https://soundcloud.com/mitnewsoffice/sound-of-a-perfect-fluid

https://news.mit.edu/2020/sound-perfect-fluid-1203

https://www.newscientist.com/article/2261852-superfluid-used-to-make-sounds-that-might-be-heard-in-neutron-star/#ixzz6fg7HGiv5

https://science.sciencemag.org/content/370/6521/1222

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