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

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图像：丹·哈里斯

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