6月26日，記者從海南大學(xué)獲悉，該校物理與光電工程學(xué)院、理論物理研究中心曾化碧團(tuán)隊(duì)在三維量子湍流研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)首次應(yīng)用引力全息對(duì)偶理論，系統(tǒng)研究了三維量子湍流的耗散機(jī)制與渦旋線衰減動(dòng)力學(xué)，成功解決了準(zhǔn)經(jīng)典湍流與極端量子湍流過(guò)渡機(jī)制的理論難題，為超流體實(shí)驗(yàn)觀測(cè)提供了關(guān)鍵理論支撐。相關(guān)成果近日發(fā)表在國(guó)際期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。
曾化碧介紹，三維量子湍流是典型的量子多體系統(tǒng)，其渦旋線的集體衰減動(dòng)力學(xué)是量子湍流研究的核心難點(diǎn)之一。通常認(rèn)為，當(dāng)渦旋線密度較高時(shí)，量子湍流的行為與經(jīng)典湍流高度相似（稱為準(zhǔn)經(jīng)典湍流）。英國(guó)著名量子湍流物理學(xué)家維寧（Vinen）曾提出，其能量衰減動(dòng)力學(xué)與經(jīng)典湍流類似，并推導(dǎo)出描述湍流能量耗散與渦旋線密度關(guān)系的方程。而當(dāng)渦旋線密度較低時(shí)，量子力學(xué)效應(yīng)顯著（稱為極端量子湍流），維寧猜測(cè)其能量衰減動(dòng)力學(xué)仍可用該方程描述，但該方程的物理根源一直缺乏嚴(yán)格理論證明。此外，關(guān)于兩種湍流之間的過(guò)渡機(jī)制，現(xiàn)有理論描述存在空白，不同數(shù)值模擬結(jié)果也存在矛盾。
由弦論物理學(xué)家馬爾達(dá)西那于1997年提出的引力全息對(duì)偶（也稱“規(guī)范/引力對(duì)偶”“反德西特/共形場(chǎng)論對(duì)偶”）理論指出，一個(gè)黑洞時(shí)空引力理論的在殼作用量，可等價(jià)于一個(gè)少一維的量子場(chǎng)論作用量。作為一種強(qiáng)弱對(duì)偶，全息對(duì)偶在數(shù)學(xué)上為強(qiáng)耦合量子場(chǎng)論問(wèn)題提供了非微擾研究方法——通過(guò)將強(qiáng)耦合量子多體系統(tǒng)的難題轉(zhuǎn)化為可嚴(yán)格求解的弦理論或引力問(wèn)題，已被廣泛應(yīng)用于量子色動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域。
為揭示三維量子湍流的衰減動(dòng)力學(xué)規(guī)律，研究團(tuán)隊(duì)借助引力全息對(duì)偶理論，通過(guò)求解與3+1維湍流對(duì)偶的4+1維引力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，首次發(fā)現(xiàn)渦旋線衰減的普適標(biāo)度律，明確了能量耗散率與渦旋線密度的定量關(guān)系。該成果不僅驗(yàn)證了維寧公式的普適性，還完美解釋了氦-3、氦-4超流湍流實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的渦旋線衰減行為。
同時(shí)，團(tuán)隊(duì)基于非平衡引力全息對(duì)偶的模擬結(jié)果，提出了簡(jiǎn)潔的物理機(jī)制，推導(dǎo)出的渦旋線衰減方程與維寧的猜想完全一致，首次從理論上闡明了準(zhǔn)經(jīng)典湍流與極端量子湍流的過(guò)渡機(jī)制，為量子湍流領(lǐng)域的理論發(fā)展提供了全新視角。
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