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解开日本北海上空 冯卡门涡流与超流体漩涡之谜

http://www.kexue.com 2011-06-12 10:18:26 腾讯科学  发表评论


日本北海上空出现冯卡门涡流

  据国外媒体报道,在2001年,航天飞机拍摄的照片显示:在日本北部海面上出现一种名为:冯卡门的漩涡。这是一种交替旋转方向的气流漩涡。这种气流漩涡与形成于超流体内部的漩涡结构存在某种关联性。前者只需要普通的温度环境,而后者需要则需要极低的温度。实验室使用液态汞来创造出极低的温度,形成超导态。在这种极端的情况下,电子的流动突然变成毫无阻碍了,称之为超流体。

  如果越来越接近开氏温标(零下273摄氏度或者460华氏度),液态的氦-4就变成了超流体的状态了。并呈现出螺旋、卷曲状态,这个莫名其妙的表征已经困扰了科学家近一个世纪。但是,目前由一组华盛顿大学的物理学家主导的研究小组,使用强大的超级计算机对超流体的物理行为进行模拟。得出的结论是:这些现象都源于一种亚原子颗粒即费米子。

  基本粒子中所有的物质粒子都是费米子,包括电子、质子和中子等等,而目前最新的研究发现:在中子星内部就是一种超流态,以每秒几转至1千转速率进行旋转的中子星或者脉冲星,而这种超流态的表面行为与地球上冯卡门漩涡确有着较大的区别。然而,随着旋转速度的增加,就会在产生类似三角形的结构,而这些三角形结构中又会出现一系列小的漩涡。这些三角形以及小漩涡共同构成了超流体的内部结构。如果以不同的速度进行旋转,又会产生不同相对大小的漩涡。

  然而,以上所说的观测情况能否在实验室中模拟出来呢?答案是肯定的。实验室使用一个真空管和激光束等建立起一个高强度电场,用这种电场来约束我们的实验样本。样本状态是一团气体,大约有一百万个原子,温度接近绝对零度。接着使用激光束对超导体进行“轰击”,使其旋转速度加快,这样就能创造出超流体漩涡。

  为了能进一步理解这种异常态的行为,科学家试图建立一种能描述其运动的方程。其难度就像在搅拌一杯咖啡的过程中计算产生漩涡的各种参数。而对这种费米子超流体的物理行为进行精确描述,就需要几乎无数个方程组,将各种速度、温度或者密度的变量都统计在内,只有有一个变量出现改变,其他的一切参数也将随之变化。

  进行这种数学模型假设的主要挑战就是计算机的运算能力。需要对各种变量间建立的变量关系进行精确计算。所以研究小组使用了田纳西州橡树岭国家实验室的超级计算机。为了使物质达到所需要的状态,就要加速“搅拌”,但是更快的搅拌速度却会使物质失去其相关的性能,因而务必将轰击速率控制在假设的条件范围内。从这个角度出发,也可以对中子星内部的超流体以及日本北海上空冯卡门漩涡进行计算机模拟,探讨出漩涡结构的动力学模型。

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