科学家揭示流体动力学中的量子行为

当波浪被限制在一个圆形的围栏中时,它们会向后反射,从而产生复杂的图案(灰色波纹),使水滴以明显随机的轨迹(白线)被操纵。但实际上,液滴的运动遵循由波的波长确定的统计模式。图像:丹·哈里斯

麻省理工学院的科学家揭示了流体动力学中的量子行为,为波粒对偶性提供了新的视角。

在量子物理学的早期,为了解释量子粒子的波状行为,法国物理学家路易斯·德布罗意(Louis de Broglie)提出了他所谓的“先导波”理论。根据德布罗意(de Broglie)的说法,运动的粒子(例如电子或光束中的光子)会随波传播,例如潮汐中的浮木。

物理学家无法检测出德布罗意的正电波,导致他们在很大程度上放弃了导波理论。但是,最近发现了一种真正的导波系统,其中一滴流体在其自身碰撞产生的波的推动下,在振动的液槽中反弹。

2006年,巴黎狄德罗大学的物理学家伊夫·库德(Yves Couder)和伊曼纽尔·福特(Emmanuel Fort)使用该系统重现了量子物理学中最著名的实验之一:所谓的“双缝”实验,其中粒子通过带有两个孔的屏障。

在最新一期的《 Physical Review E(PRE)》杂志上,麻省理工学院的一个研究人员小组与Couder及其同事合作,报告说他们已经产生了另一种经典量子实验的流体类似物,其中电子被限制在一个圆内。由离子环“围住”。在新的实验中,液体的弹跳模仿了电子的统计行为,且准确性极高。

麻省理工学院应用数学教授,该论文的通讯作者约翰·布什说:“这个流体动力学系统微妙,并且在数学建模方面异常丰富。”“这是发现的第一个导波系统,可以洞察到存在这样的事物时,合理的量子动力学将如何起作用。”

论文的主要作者丹尼尔·哈里斯(Daniel Harris)是麻省理工学院数学专业的研究生,与布什一起参加PRE论文。库德堡巴黎狄德罗大学(UniversitéParis Diderot)的朱利安·穆克塔(Julien Moukhtar)。在本月发表在《流体力学杂志》上的另一双论文中,布什和另一位麻省理工学院数学研究生扬·莫拉切克(Jan Molacek)解释了构成系统行为的流体力学。

干扰推断

双缝实验是开创性的,因为它提供了波粒对偶性的最清晰证明:正如理论物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)曾经说过的那样:“事实证明,量子力学中的任何其他情况都可以这样解释:‘您还记得有两个孔的实验情况吗?这是同一件事。'”

如果在水面上传播的波浪撞击其中有两个缝隙的障碍物,则另一侧会出现两个波浪。那些波浪的波峰相交的地方形成了一个更大的波浪。在波峰与波谷相交的地方,流体是静止的。波浪撞击的压力传感器库将记录“干扰模式”,即一系列交替的明暗带,指示波浪在何处相互增强或抵消。

穿过带有两个孔的屏幕发射的光子会产生类似的干涉图,即使一次发射一个也是如此。那就是波粒二象性:波力学的数学解释了运动粒子的统计行为。

在PRE报告的实验中,研究人员将一个带有圆形凹陷的浅托盘安装在振动台上。他们在托盘中填充了硅油,并开始以略低于产生表面波所需的速率对其进行振动。

然后,他们将一滴相同的油滴入浴中。液滴上下反弹,产生将其推向表面的波浪。

弹跳的液滴产生的波反射离开畜栏壁,将液滴限制在圆内并相互干扰以创建复杂的图案。当小滴从波浪中弹起时,它的运动似乎是完全随机的,但是随着时间的流逝,事实证明它比其他区域更喜欢浴的某些区域。最常见的是在圆心附近,然后以逐渐减小的频率出现在同心环中,它们之间的距离由导波的波长确定。

液滴位置的统计描述类似于局限在圆形量子核中的电子的描述,并具有类似的波状形式。

“这是一个很好的结果,”英国巴斯大学数学教授保罗·米勒夫斯基(Paul Milewski)说,他专门研究流体力学。“鉴于已经显示了该机械系统的量子力学类似物的数量,畜栏实验的行为也像量子力学一样,这不足为奇。但是他们做得非常谨慎,因为在很长一段时间内,液滴的弹跳都需要进行非常精确的测量,以获得这种概率分布。”

Milewski继续说道:“如果您的系统具有确定性,并且在业务中被我们称为“混乱的”系统,或者对初始条件敏感,对扰动敏感,那么它就可以概率地运行, Milewski继续说道。“这样的实验不适用于量子力学的巨头。他们也对混乱一无所知。假设这些家伙(他们对世界为什么以这种奇怪的概率行事感到困惑)实际上可以进行这样的实验并且具有混沌知识,那么他们是否会提出一个等效的,确定性的量子力学理论,这不是当前一个?从量子的角度来看,这就是令人兴奋的事情。”

出版物:丹尼尔·哈里斯(Daniel M. Harris)等人,“来自圆形畜栏的导波动力学的波状统计”,物理学报。修订版E 88,011001(R)(2013); doi:10.1103 / PhysRevE.88.011001

相关出版物:

Jan Molaceka1和John W. M. Bush,“水滴在振动浴上弹跳”,《流体力学杂志》 /第727卷/ 2013年7月,第582-611页; doi:10.1017 / jfm.2013.279Jan Molaceka1和John W.M. Bush,“水滴在振动浴上行走:走向流体动力导波理论”,《流体力学杂志》 /第727卷/ 2013年7月,第612-647页; doi:10.1017 / jfm.2013.280

图像:丹·哈里斯

经MIT新闻许可转载

郑重声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如作者信息标记有误,请第一时间联系我们修改或删除,多谢。