Квантова модель пояснила парадокс руху об'єктів у рідині

Створена фізиками квантова модель пояснила, чому об'єкти, що рухаються в рідині, відчувають опір навіть на високих швидкостях, хоча в'язкість за таких умов повинна бути мінімальною.

Це протиріччя між теорією і практикою фізики не могли вирішити довгий час. Допомогла їм у цьому квантова фізика і надплинний гелій

У середині XVIII століття математик Жан-Батіст ле Рон д'Аламбер вперше розглянув завдання руху рідини вздовж жорсткої сфери або аналогічного за формою об'єкта. Він припустив, що рідина повинна плавно обтікати об'єкт, утворюючи стабільний потік, що характеризується в основному ненарушеними лініями тока. Він показав, що в ідеальних рідинах, які не володіють в'язкістю, на об'єкт не діє ніякого опору.

Фізики пізніше дозволили цей парадокс, показавши, що ненульова в'язкість реальних рідин створює сили опору за допомогою різних механізмів, включаючи утворення повільно рухомих прикордонних шарів поблизу поверхні об'єкта. ця робота не повністю дозволила загадку д'Аламбера.Вплив в'язкості зменшується в міру того, як рідини течуть швидше, тому здається, що при дуже високих швидкостях потоку рідини дійсно повинні володіти нульовим опором. Однак багато експериментів ясно показують, що це не так.

Автори нової роботи показали, що і це протиріччя теорії і практики можна вирішити за допомогою квантової моделі. На відміну від будь-якої класичної рідини, квантові надплинні рідини, такі як ультрахолодний рідкий гелій-4, дійсно мають нульову в'язкість, коли швидкість досить низька, об'єкт може переміщатися в такій рідині взагалі без опору. Але опір виникає раптово, коли об'єкт досягає критичної швидкості - в цей момент вихори поблизу поверхні об'єкта формуються квантові вихори і рухаються перпендикулярно основному потоку. Рух вихорів створює падіння тиску, збільшуючи опір. Рівняння, відоме як співвідношення Джозефсона-Андерсона, відображає цей ефект в потоках надплинної рідини.

Фізики тепер змогли вивести аналогічне співвідношення, що показує, що той же механізм також відповідає за створення опору в класичних рідинах. Нове співвідношення описує, як потік рідини, що рухається повз будь-якого твердого об'єкта, навіть при відсутності в'язкості, викликає вихори і закручені потоки в рідині, які потім починають рухатися поперек переважаючого потоку. Це і створює опір, що уповільнює рідину при високих швидкостях.

Стаття дослідників опублікована в журналі Physical Review X.