諾貝爾物理學獎獲得者理察-費曼曾將湍流描述為 經典物理學中最重要的未解決問題。理解像水和空氣這樣經典流體中的湍流是困難的，部分原因是識別這些流體中漩渦的挑戰。定位渦管並跟蹤它們的運動可以大大簡化湍流的建模。但在量子流體中，這一挑戰比較容易，因為量子流體存在於足夠低的溫度下，量子力學，即處理原子或亞原子粒子尺度上的物理學支配著它們的行為。
在發表在《美國國家科學院院刊》上的一項新研究中，佛羅里達州立大學的研究人員設法將量子流體中的渦管可視化，這些發現可以幫助研究人員更好地理解量子流體及其他方面的湍流。這項研究很重要，不僅因為它拓寬了我們對一般湍流的理解，還因為它可能有利於對各種同樣涉及渦管的物理系統研究，比如超導體甚至中子星。
研究團隊研究了超流體氦-4，這是一種存在於極低溫度下的量子流體，可以在沒有明顯摩擦力的情況下沿著狹窄的空間永遠流動。團隊研究了被困在漩渦中的示蹤粒子，並首次觀察到，隨著漩渦管的出現，它們以隨機模式移動，平均而言，它們迅速遠離起點。這些被困的示蹤劑的位移隨著時間增加似乎比常規分子擴散速度快得多，這個過程被稱為超擴散。
“超擴散已經在許多系統中被觀察到，例如生物系統中的細胞運輸等等，對於隨機移動的事物的超擴散，一個既定的解釋是它們偶爾會有特別長的位移，這就是所謂的萊維飛行。但在分析了他們的數據後，團隊得出結論，他們實驗中示蹤劑的超擴散實際上不是由萊維飛行引起的，而是發生了其他的事情。
國家高磁場實驗室的博士後研究員、論文作者唐元表示，我們終於弄明白了，我們觀察到的超擴散是由不同時間的渦流速度之間的關系引起的，每個渦旋段的運動最初看起來是隨機的，但實際上，一個時間段的速度與下一個時間實例的速度是正相關的。這一觀察使我們發現了混沌隨機渦旋糾纏當中一些隱藏的通用統計特性，這可能在多個物理學分支中有用。
與經典流體中不同的是，超流體氦-4中的渦管是穩定而明確的物體。它們本質上是在混亂的風暴中旋轉的微小龍卷風，但具有極薄的空心，你無法用肉眼看到它們，甚至用最強的顯微鏡也看不到。為了解決這個問題，我們在低溫實驗室進行了實驗，我們在氦氣中加入了示蹤粒子，以使它們可視化。研究人員將氘氣和氦氣的混合物注入到冷的超流體氦氣中。注入後，氘氣凝固並形成微小的冰顆粒，研究人員將其作為液體中的示蹤劑。
這種可視化技術並不新鮮，科學家們已經在世界各地的研究實驗室中使用過，但這些研究人員取得的突破是開發了一種新的算法，使他們能夠區分渦旋管上的示蹤劑和未被捕獲的示蹤劑。
來源：cnBeta
