Как квантовая модель объяснила парадокс движения объектов в жидкости: любопытное исследование
В середине XVIII века математик Жан-Батист ле Рон д'Аламбер впервые рассмотрел задачу движения жидкости вдоль жесткой сферы или аналогичного по форме объекта. Он предположил, что жидкость должна плавно обтекать объект, образуя стабильный поток, характеризующийся в основном ненарушенными линиями тока. Он показал, что в идеальных жидкостях, не обладающих вязкостью, на объект не действует никакого сопротивления, что противоречит экспериментальным данным.
Физики позже разрешили этот кажущийся парадокс, показав, что ненулевая вязкость реальных жидкостей создает силы сопротивления при помощи различных механизмов, включая образование медленно движущихся пограничных слоев вблизи поверхности объекта. Как отмечают ученые из Университета Джонса Хопкинса, эта работа не полностью разрешила загадку д'Аламбера. Влияние вязкости уменьшается по мере того, как жидкости текут быстрее, поэтому кажется, что при очень высоких скоростях потока жидкости действительно должны обладать нулевым сопротивлением. Однако многие эксперименты ясно показывают, что это не так.
Авторы работы показали, что и это противоречие теории и практики можно решить при помощи квантовой модели. В отличие от любой классической жидкости, квантовые сверхтекучие жидкости, такие как ультрахолодный жидкий гелий-4, действительно имеют нулевую вязкость. Когда скорость достаточно низкая, объект может перемещаться в такой жидкости вообще без сопротивления. Но сопротивление возникает внезапно, когда объект достигает критической скорости — в этот момент вихри вблизи поверхности объекта формируются квантовые вихри и движутся перпендикулярно основному потоку. Движение вихрей создает падение давления, увеличивая сопротивление. Уравнение, известное как соотношение Джозефсона-Андерсона, отражает этот эффект в потоках сверхтекучей жидкости.
Физики смогли вывести аналогичное соотношение, показывающее, что тот же механизм также отвечает за создание сопротивления в классических жидкостях. Новое соотношение описывает, как поток жидкости, движущийся мимо любого твердого объекта, даже при отсутствии вязкости, вызывает вихри и закрученные потоки в жидкости, которые затем начинают двигаться поперек преобладающего потока. Это и создает сопротивление, замедляющее жидкость при высоких скоростях.
Статья исследователей опубликована в журнале Physical Review X.
Это противоречие между теорией и практикой физики не могли решить долгое время. Помогла им в этом квантовая физика и сверхтекучий гелий