[圖文]航天飛機拍攝的照片-馮卡門的漩渦










日本北海上空出現馮卡門渦流


在2001年,航天飛機拍攝的照片顯示:在日本北部海面上出現一種名為:馮卡門的漩渦。這是一種交替旋轉方向的氣流漩渦。這種氣流漩渦與形成於超流體內部的漩渦結構存在某種關聯性。前者只需要普通的溫度環境,而後者需要則需要極低的溫度。實驗室使用液態汞來創造出極低的溫度,形成超導態。在這種極端的情況下,電子的流動突然變成毫無阻礙了,稱之為超流體。


如果越來越接近開氏溫標,液態的氦-4就變成了超流體的狀態了。並呈現出螺旋、卷曲狀態,這個莫名其妙的表征已經困擾了科學家近一個世紀。但是,目前由一組華盛頓大學的物理學家主導的研究小組,使用強大的超級計算機對超流體的物理行為進行模擬。得出的結論是:這些現象都源於一種亞原子顆粒即費米子。


基本粒子中所有的物質粒子都是費米子,包括電子、質子和中子等等,而目前最新的研究發現:在中子星內部就是一種超流態,以每秒幾轉至1千轉速率進行旋轉的中子星或者脈沖星,而這種超流態的表面行為與地球上馮卡門漩渦確有著較大的區別。然而,隨著旋轉速度的增加,就會在產生類似三角形的結構,而這些三角形結構中又會出現一系列小的漩渦。這些三角形以及小漩渦共同構成了超流體的內部結構。如果以不同的速度進行旋轉,又會產生不同相對大小的漩渦。


然而,以上所說的觀測情況能否在實驗室中模擬出來呢?答案是肯定的。實驗室使用一個真空管和激光束等建立起一個高強度電場,用這種電場來約束我們的實驗樣本。樣本狀態是一團氣體,大約有一百萬個原子,溫度接近絕對零度。接著使用激光束對超導體進行『轟擊』,使其旋轉速度加快,這樣就能創造出超流體漩渦。


為了能進一步理解這種異常態的行為,科學家試圖建立一種能描述其運動的方程。其難度就像在攪拌一杯咖啡的過程中計算產生漩渦的各種參數。而對這種費米子超流體的物理行為進行精確描述,就需要幾乎無數個方程組,將各種速度、溫度或者密度的變量都統計在內,只有有一個變量出現改變,其他的一切參數也將隨之變化。


進行這種數學模型假設的主要挑戰就是計算機的運算能力。需要對各種變量間建立的變量關系進行精確計算。所以研究小組使用了田納西州橡樹嶺國家實驗室的超級計算機。為了使物質達到所需要的狀態,就要加速『攪拌』,但是更快的攪拌速度卻會使物質失去其相關的性能,因而務必將轟擊速率控制在假設的條件范圍內。從這個角度出發,也可以對中子星內部的超流體以及日本北海上空馮卡門漩渦進行計算機模擬,探討出漩渦結構的動力學模型。
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