מאתגרים חוקים הידרודינמיים: פתירת מסתורין של מערבולת על-נוזלת

מסגרת תיאורטית שמטרתה למדוד דמיון של ריינולדס בנוזלי-על עשויה להוכיח נוכחות של צמיגות קוונטית.

לכל נוזל או גז, החל מהאוויר העוטף את כוכב הלכת שלנו ועד לדם הזורם דרך הוורידים שלנו, יש תכונה ניתנת למדידה המכונה צמיגות. תכונה זו מכתיבה כיצד הנוזל מתנהג כאשר הוא בא במגע עם חומר כלשהו. אם הצמיגות גבוהה יותר, הנוזל זורם בשלווה, מצב המכונה למינארי. אם הצמיגות יורדת, הנוזל עובר את המעבר מזרימה למינרית לזרימה סוערת.

מידת הזרימה למינרית או סוערת מכונה מספר ריינולדס, שהוא ביחס הפוך לצמיגות. חוק ריינולדס של דמיון דינמי או דימיון ריינולדס, קובע שאם שני נוזלים זורמים סביב מבנים דומים בעלי קשקשים באורך שונה, הם זהים מבחינה הידרודינמית בתנאי שהם מציגים את אותו מספר ריינולדס.

קוונטים-על-נוזלים ודמיון ריינולדס

עם זאת, הדמיון הזה של ריינולדס אינו מיושם על נוזלי-על קוונטיים, מכיוון שאין להם צמיגות – לפחות, כך האמינו החוקרים. כעת, חוקר ממכון Nambu Yoichiro לפיזיקה תיאורטית וניסויית באוניברסיטת אוסקה מטרופוליטן ביפן העלה תיאוריה של דרך לבחון את הדמיון של ריינולדס בנוזלי-על, שיכולה להוכיח את קיומה של צמיגות קוונטית בנוזלי-על.

ד"ר הירומיצו טאקוצ'י, מרצה בבית הספר לתואר שני למדעים באוניברסיטת אוסקה מטרופוליטן, פרסם לאחרונה את גישתו ב- סקירה פיזית ב.

הפיכת התיאוריות המסורתיות

"נוזלים-על נחשבו מזמן לחריג ברור לדמיון של ריינולדס", אמר ד"ר טאקוצ'י, והסביר שחוק הדמיון של ריינולדס קובע שאם לשני זרמים יש אותו מספר ריינולדס, אז הם זהים פיזית. "המושג של צמיגות קוונטית מהפך את השכל הישר של תורת הנוזלים העל, שיש לה היסטוריה ארוכה של יותר מחצי מאה. יצירת דמיון ב-Super-נוזלים הוא צעד חיוני לאיחוד ההידרודינמיקה הקלאסית והקוונטית".

עם זאת, לנוזלים-על קוונטיים יכולה להיות מערבולות, מה שמוביל לבעיה קוונטית: מערבולת בנוזלים דורשת פיזור, אז איך יכולה להיות מערבולת-על-נוזל לחוות פיזור ללא צמיגות? הם חייבים להתפוגג ועשויים לעקוב אחר הדמיון של ריינולדס, אבל הגישה הנכונה לבחון אותו עדיין לא פותחה.

ניתן לבחון את המאפיינים הללו, מתאר ד"ר טאקוצ'י, על ידי ניתוח כיצד כדור מוצק נופל לתוך נוזל-על. על ידי שילוב המהירות הסופית של נפילת הכדור עם ההתנגדות שבה נתקל הכדור מהנוזל כשהוא נופל, החוקרים יכולים לקבוע אנלוגי לדמיון של ריינולדס. המשמעות היא שניתן למדוד צמיגות יעילה, הנקראת צמיגות קוונטית.

"מחקר זה מתמקד בסוגיה תיאורטית בהבנת מערבולות קוונטיות בנוזלי-על ומראה שניתן לאמת את הדמיון של ריינולדס בנוזלי-על על-ידי מדידת המהירות הסופית של עצם הנופל בתוך נוזל-על", אמר ד"ר טאקוצ'י. "אם ניתן לבצע את האימות הזה, אז זה מצביע על כך שצמיגות קוונטית קיימת אפילו בנוזלי-על טהורים ב- אפס מוחלט. אני לא יכול לחכות לראות את זה מאומת באמצעות ניסויים."

המחקר מומן על ידי סוכנות המדע והטכנולוגיה של יפן, החברה היפנית לקידום המדע, ופרויקט קידום המחקר האסטרטגי של אוניברסיטת אוסקה המטרופוליטן (OMU).