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在实验室中创建的第一个流体结

发布时间:2017-12-23 01:02:45来源:未知点击:

作者:Jacob Aron视频:观看流体相当于在烟圈中打结(图片来源:Steve Koppes)在烟圈中打结听起来像是一个值得那些享受某种香烟的人的壮举但是把烟雾当作流体的一个例子,它就成了一个物理问题现在,这是第一次形成流体结 - 从水而不是烟这一成就将使我们能够探究什么是理论对象,这可能反过来导致更好的飞机机翼周围气流模型,或超流体等奇怪的量子物质与鞋带中的结不同,物理学家和数学家谈论的结是封闭的纠缠,由于它们没有目的而无法解开其中最简单的是三叶草,一个自身交叉三次的循环,以及Hopf链接,两个链接循环在19世纪60年代,当数学物理学家开尔文勋爵(Lord Kelvin)提出原子可能在以太中结时 - 一种神秘的流体被认为渗透到整个宇宙中时,由流体制成的结的想法首先出现在19世纪60年代这个想法没有实现,但从那时起,结已经成为科学的许多方面的核心,从数学到生物学这导致人们对流体结的想法重新产生兴趣数学家们已经证明,正如绳子上的结都无法解开,无论你多大程度地刺拉它们,流体结也应该永远不会解开 - 即使构成流体的粒子会在周围流动但是这种非解开性只适用于结是由理论上的“理想流体”制成的,没有粘度 - 换句话说,没有流动阻力如何在诸如烟雾或水之类的真实流体中形成结是未知的,这些结构是存在于自然界中还是存在于由诸如飞机之类的机器产生的羽流中为了调查,伊利诺伊州芝加哥大学的Dustin Kleckner和William Irvine三维打印的塑料条形状为三叶形结和Hopf链接至关重要的是,条带的横截面形状像机翼或水翼(见图)接下来,研究人员将这些结拖入充满微小气泡的水中就像穿过空气的机翼产生尾涡一样,水翼的加速产生了一个结形的漩涡,吸入了气泡结果是一个结形的动态气泡流 - 实验室中产生的第一个流体结 - 团队用激光成像一旦形成,结就会移动,旋转并最终消散,尽管涡流是否完全不可理解,与理想流体不同,或者以某种方式保持打结但是更加分散的形式仍然是一个悬而未决的问题应该可以使用类似的技术来创建打结的烟圈,因为烟圈仅仅是包含被捕获的烟雾颗粒的空气中的漩涡但是,在水中,戒指会粘住更长时间,使它们更容易学习 Kleckner和Irvine正在调查他们是否可以制造更复杂的结 “我们认为没有根本的限制:我们正试图制造各种各样的东西,”欧文说研究水结可以提高对其他类型涡流的理解,例如那些从飞机机翼上下来的漩涡 “人们可以通过模拟来模拟这些问题,但总是存在着解模拟是否正确的问题,”欧文说打结的漩涡也可能自然地出现,例如在神秘的超流体中这些无摩擦量子流体是在实验室中通过将氦气冷却到接近绝对零度而产生的,并且被认为存在于中子星内部在水中创造结可以更容易地研究他们的量子表兄弟,因为用于成像结的激光会加热超流体,破坏其性质英国布里斯托尔大学的马克丹尼斯说,能够创造和塑造这些结的印象令人印象深刻 “凯尔文花了很长时间试图了解涡流是如何在流体中流动的,从那时起,实验主义者就试图实现他的想法”现在理论和实验已经完全循环,这将有助于进一步研究结和流体,他说期刊参考:Nature Physics,DOI:10.1038 / NPHYS2560关于这些主题的更多信息: