[ad_1]

تصویر

تصویر: فیزیکدانان MIT مایع کاملی را در آزمایشگاه ایجاد کرده و صدا را از این “جریان کامل” ضبط کرده اند. می توان از راه عبور صدا از این مایع برای … بیشتر

اعتبار: تصویر: کریستین دانیلوف ، MIT

برای بعضی ها ممکن است صدای “یک جریان کامل” صدای پاشیدن ملایم یک جریان جنگلی یا شاید پچ پچ آب ریخته شده از پارچ باشد. برای فیزیکدانان ، جریان کامل خاص تر است و به مایعی گفته می شود که با حداقل اصطکاک یا گرانروی مجاز توسط قوانین مکانیک کوانتوم جریان داشته باشد. چنین رفتاری کاملاً مایع در طبیعت نادر است ، اما تصور می شود که در هسته های ستاره های نوترونی و در پلاسمای نرم جهان اولیه رخ دهد.

اکنون فیزیکدانان MIT مایعات کاملی را در آزمایشگاه ایجاد کرده و به امواج صوتی که از آن عبور می کنند گوش می دهند. این ضبط محصول یک گلایساندو از امواج صوتی است که تیم از طریق یک گاز دقیق کنترل شده از ذرات بنیادی معروف به فرمیون می فرستد. ارتفاعات قابل شنیدن فرکانس های خاصی است که در آن گاز مانند یک رشته پاره شده طنین انداز می شود.

محققان هزاران موج صوتی را که از طریق این گاز در حال حرکت هستند ، تجزیه و تحلیل کرده اند تا “انتشار صدا” یا سرعت پخش شدن صدا در گاز را اندازه گیری کنند که این امر مستقیماً با ویسکوزیته مواد یا اصطکاک داخلی ارتباط دارد.

با کمال تعجب ، آنها دریافتند که انتشار صدا در مایع به قدری کم است که می توان آن را با مقدار اصطکاک “کوانتومی” داده شده توسط یک ثابت طبیعی معروف به ثابت پلانک و جرم فرمیونهای جداگانه در مایع توصیف کرد.

این مقدار اساسی تأیید می کند که گاز فرمیون بسیار متقابل مانند یک مایع کامل رفتار می کند و ماهیتی جهانی دارد. نتایج امروز در ژورنال منتشر شده است علوم پایه، برای اولین بار نشان می دهد که دانشمندان توانسته اند انتشار صدا را به یک مایع کامل اندازه گیری کنند.

دانشمندان اکنون می توانند از مایع به عنوان مدلی برای جریانهای کامل و پیچیده تر برای تخمین ویسکوزیته پلاسما در اوایل جهان و همچنین اصطکاک کوانتوم در ستاره های نوترونی استفاده کنند ، خصوصیاتی که در غیر اینصورت محاسبه آنها غیرممکن است. دانشمندان حتی می توانند صداهای تقریبی تولید شده آنها را پیش بینی کنند.

مارتین زویرلین ، استاد فیزیک در موسسه فناوری توماس آ. فرانک گفت: “شنیدن یک ستاره نوترونی کاملاً دشوار است.” “اما اکنون می توانید آن را در آزمایشگاه با استفاده از اتم ها تقلید کنید ، سوپ اتمی را تکان دهید و به آن گوش فرا دهید و بدانید که یک ستاره نوترونی چگونه به نظر می رسد.”

در حالی که ستاره نوترونی و گاز تیم به طور قابل توجهی در اندازه و سرعت حرکت صدا متفاوت هستند ، از برخی محاسبات تقریبی ، Zwierline محاسبه کرد که فرکانس های تشدید ستاره مشابه گاز است و حتی شنیده می شود – “اگر شما می توانید به گوش خود نزدیک شوید بدون اینکه گرانش پاره شوید. “

Zwierlein نویسنده اصلی Parth Patel ، Zhenjie Yan ، Biswaroop Mukherjee ، Richard Fletcher و Julian Struck از مرکز اتمهای فوق سرد MIT-Harvard است.

لمس کنید ، گوش دهید ، یاد بگیرید

برای ایجاد مایع کامل در آزمایشگاه ، تیم Zwierlein از فرمیون های بسیار متقابل گاز تولید می کند – ذرات بنیادی مانند الکترون ها ، پروتون ها و نوترون ها که عناصر سازنده همه مواد در نظر گرفته می شوند. فرمیون با چرخش نیمه هدف تعریف می شود ، خاصیتی که مانع از پذیرش چرخش همان فرمیون با فرمیون دیگر می شود. این طبیعت استثنایی همان چیزی است که اجازه می دهد تنوع ساختارهای اتمی موجود در جدول تناوبی عناصر وجود داشته باشد.

زوایرلین گفت: “اگر الکترون ها فرمیون نبودند ، اما آنها از بودن در یک حالت خوشحال بودند ، هیدروژن ، هلیم و همه اتم ها و خود ما نیز مانند یک سوپ وحشتناک و کسل کننده به یک شکل به نظر می رسیدیم.”

فرمیون به طور طبیعی ترجیح می دهد جدا از یکدیگر نگه داشته شود. اما وقتی ساخته شده اند که به شدت برهم کنش می کنند ، می توانند مانند یک مایع کامل با گرانروی بسیار کم رفتار کنند. برای ایجاد چنین سیال کاملی ، محققان ابتدا از یک سیستم لیزر برای گرفتن گاز از اتم های لیتیوم -6 استفاده کردند ، که فرمیون در نظر گرفته می شود.

محققان دقیقاً لیزرها را پیکربندی کردند تا یک جعبه نوری در اطراف گاز فرمیون تشکیل دهد. لیزرها به گونه ای تنظیم شده اند که هر بار فرمیون ها به لبه های جعبه برخورد می کنند ، دوباره به داخل گاز برمی گردند. همچنین ، فعل و انفعالات بین فرمیون ها به اندازه مجاز مکانیک کوانتوم کنترل می شد ، بنابراین در داخل جعبه فرمیون ها باید در هر جلسه با یکدیگر برخورد کنند. این فرمیون ها را به یک مایع کامل تبدیل کرد.

Zwierline گفت: “ما باید سیال با چگالی برابر ایجاد کنیم و فقط در این صورت است که می توانیم به یک طرف ضربه بزنیم ، به طرف دیگر گوش دهیم و از آن یاد بگیریم.” “در واقع ، رسیدن به این مکان که می توانستیم از صدا به این روش به ظاهر طبیعی استفاده کنیم کاملاً دشوار بود.”

“جریان به روشی کامل”

این تیم سپس امواج صوتی را از طریق یک طرف جعبه نوری ارسال کرد و به راحتی روشنایی یکی از دیواره ها را تغییر داد تا ارتعاشاتی شبیه صدا از طریق مایع در فرکانس های خاص ایجاد کند. آنها هنگام لرزیدن هر موج صوتی هزاران تصویر از مایع را ثبت کردند.

Zwierline گفت: “همه این تصاویر با هم یک سونوگرافی به ما می دهند و این کمی شبیه کاری است که هنگام انجام سونوگرافی در مطب پزشک انجام می شود.”

در نهایت ، آنها توانستند نوسانات چگالی سیال را در پاسخ به هر نوع موج صوتی مشاهده کنند. آنها سپس به دنبال فرکانس های صوتی بودند که باعث ایجاد طنین یا صدای تقویت شده در مایع می شود ، شبیه آواز یک لیوان شراب و یافتن فرکانس شکسته شدن آن.

Zwierline توضیح می دهد: “کیفیت تشدید ها در مورد ویسکوزیته مایع یا انتشار صدا به من می گوید.” “اگر مایعی ویسکوزیته کمی داشته باشد ، می تواند موج صوتی بسیار قوی ایجاد کند و اگر دقیقاً به فرکانس مناسب برخورد کند ، بسیار قوی خواهد بود. اگر مایعی بسیار چسبناک باشد ، طنین اندازهای خوبی ندارد.”

محققان از داده های خود ، تشدیدهای واضح را از طریق مایع مشاهده کردند ، به ویژه در فرکانس های پایین. از توزیع این تشدیدها ، آنها پخش صدا از مایع را محاسبه می کنند. آنها دریافتند که این مقدار نیز می تواند خیلی ساده توسط ثابت پلانک و جرم فرمیون متوسط ​​موجود در گاز محاسبه شود.

این به محققان گفت که گاز از نظر ماهیت سیال كامل و اساسی است: انتشار صدا و در نتیجه گرانروی آن در پایین ترین حد ممكن است كه توسط مكانیك كوانتوم تعیین شده است.

Zwierlein می گوید علاوه بر استفاده از نتایج برای تخمین اصطکاک کوانتوم در مواد عجیب و غریب تر ، مانند ستاره های نوترونی ، نتایج می تواند در درک چگونگی ساخت برخی مواد برای نمایش شار عالی و ابررسانا مفید باشد.

Zwierline می گوید: “این کار مستقیماً به دوام مواد مربوط می شود.” “وقتی فهمیدیم کمترین مقاومت شما از یک گاز چیست ، به ما می گوید که چه اتفاقی می تواند برای الکترونها بیفتد و چگونه می توان مواد را تولید کرد که الکترونها می توانند کاملاً جریان داشته باشند. این هیجان انگیز است. ”

###

این مطالعه تا حدی توسط بنیاد ملی علوم و مرکز اتمهای فوق العاده سرد NSF ، دفتر تحقیقات نیروی هوایی ، دفتر تحقیقات دریایی و بنیاد دیوید و لوسیل پاكارد پشتیبانی شد.

نوشته شده توسط جنیفر چو ، دفتر خبری MIT

[ad_2]

منبع: kolah-news.ir

ایندکسر