最新研究证明：三维经典流体和超流体之间的差异！

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博科园：本文为物理学类

Weizmann科学研究所、罗马大学、CNRS和赫尔辛基大学的研究人员新进行了一项研究，研究了经典流体和超流体(如氦)中三维各向异性湍流之间的差异。其研究发现发表在《物理评论快报》(PRL)上，得到了理论和实验证据的支持。开展这项研究的研究人员之一伊塔玛尔·普鲁卡西亚(Itamar Procaccia)说：目前研究是由我们在以色列魏茨曼研究所(Weizmann Institute, Israel)的团队发起，由维克多·L'vov、伊塔玛尔·普鲁卡西亚(Itamar Procaccia)和安娜·波米亚洛夫(Anna Pomyalov)组成

试图理解来自佛罗里达州立大学(Florida State University)郭伟教授、塔拉哈西大学(Tallahassee)和布拉格查尔斯大学(Charles University)的拉迪斯拉夫·斯克贝克(Ladislav Skrbek)教授的团队进行的新奇实验观察。主要目标是了解不同尺度的湍流涡旋在经典粘性流体(如空气和水)和低温超流体(如氦)中能量分布的惊人差异。在自然界和实验室环境中，所有湍流在能量注入尺度上都是各向异性的，这意味着它们湍流涡旋之间的能量分布不同。以往的研究表明，均匀各向同性湍流模型(HIT)对于预测比搅拌尺度小得多。

图片：Biferale et al

但比耗散尺度大得多的湍流统计特性特别有效。在经典流体中，三维各向异性湍流随着尺度的减小而趋于各向同性和均匀性，因此最终将HIT模型应用于三维各向异性湍流是可能的。然而在研究中，Procaccia和同事证明，在三维反流通道几何中，超流体4He湍流的情况正好相反。使用的方法涉及到超流氦所谓“双流体模型”。这个模型是基于1940-1941年Laszlo Tisza和Lev Landau的早期工作，后来H. Hall, W.F. Vinen, I.M. Khalatnikov和I。L Bekarevich。该模型将超流氦描述为两种流体的相互渗透混合物：

一种没有摩擦的超流体和一种由相互摩擦耦合的正常粘性流体。佛罗里达塔拉哈瑟和布拉格的两组研究人员过去对温度梯度下的超流体氦进行了研究，创造了所谓的“逆流”。顾名思义，在逆流中，流体流向相反的不同组分；超流体从冷态流向热态，而正常流体从热态流向冷态。模型使一些实验观测结果合理化，并预测了一些后来被实验证实的新特征。研究的主要结果是，与经典湍流在更小尺度上变得越来越蛤同性相反，研究的流动随着尺度减小变得越来越不蛤同性。在进行这项研究之前，Procaccia和同事们从理论上预测，实验将得出他们后来收集到的观察结果。

然而观察到的这种效应强度只有在他们与卢卡·比费雷尔(Luca Biferale)领导的研究小组合作，在一台欧盟超级计算机上进行直接数值模拟之后才变得清晰起来。Procaccia表示，理论和数值研究结果已经激励其他实验小组对逆流湍流进行进一步的研究。在魏兹曼研究所正在进一步发展这一理论，关注能够对超流体氦中的湍流进行详细研究的新实验技术。团队继续参与分析新实验数据，希望能对从实验室实验到宇宙学实现(如中子星)的超流体流动有更深入的了解。