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中国科学家新发现：金属液滴也能“在轨追逐”

我国科学家在液态金属宏观体系中发现类波粒二象性现象——
金属液滴也能“在轨追逐”
经济日报·中国经济网采访人员 佘惠敏
中国科学家新发现：金属液滴也能“在轨追逐”
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实验观察到的金属液滴对的在轨旋转追逐运动（俯视图） 。 左、右图分别显示一个短程自锁的液滴对和一个长程自锁的液滴对（箭头指示液滴运动方向） 。（资料图片）
在生活中 ， 很多人会成为两个明星的“CP（配对）粉” 。 但你知道吗——我国科学家在实验室里 ， 发现液态金属的液滴居然也能锁定“CP” ， 在轨追逐 。 这是科学家首次在液态金属宏观体系中发现类波粒二象性现象导致的液滴协同运动行为 ， 对于探索认识原子层级的电子自旋行为乃至宇宙尺度的行星运动问题均有启示 。
近日 ， 来自清华大学和中国科学院理化技术研究所的刘静教授研究团队 ， 在美国物理学会期刊《物理评论流体》上发表论文 ， 揭示了液态金属导航波体系中的宏观波粒二象性——在导航波触发的液态金属振荡液池中 ， 发生了量子化轨道现象及金属液滴追逐效应 。
这是科学家首次在液态金属宏观体系中发现类波粒二象性现象导致的液滴协同运动行为 。 清华大学医学院生物医学工程系教授、中国科学院理化技术研究所双聘研究员刘静告诉经济日报采访人员：“特别是其中的金属液滴在轨追逐行为十分有趣生动 ， 对于探索认识原子层级的电子自旋行为乃至宇宙尺度的行星运动问题均有一定启示 。 ”
万物皆波 ， 怎么看
什么是导航波？这是一个量子力学中的概念 。
1924年 ， 法国科学家德布罗意首次提出了“万物皆波”的大胆猜想 ， 认为与光一样 ， 一切物质均具有波粒二象性 。 波粒二象性是量子力学发展的基石 。 基于此 ， 德布罗意提出了导航波理论来描述量子世界的运动情形 。 根据这一理论 ， 量子粒子 ， 比如电子 ， 其运动由一个导航波场来引导 。 若干年后 ， 物理学家们找到了与德布罗意导航波理论有着惊人相似之处的宏观体系 ， 即流体导航波体系 。
在经典流体力学中 ， 一个放置于竖直方向振动液面上的液滴能够持续在液面上弹跳而不发生融合 。 进一步的 ， 这类不融合液滴会受到自身撞击液面形成的局部波作用而产生导向性水平运动 。 这种液滴运动 ， 与量子力学中导航波理论描绘的量子粒子运动情形有着惊人相似之处 。
对此 ， 我们可以回忆一下下雨天 。 那时 ， 你是否看见过雨滴在水潭上激起转瞬即逝的涟漪？击打在水面上的液滴有一些并不会立即与水面融合 ， 而是会在水面上滞留一段时间 。
这种反常的不融合现象及其背后的丰富的动力学知识 ， 一度让物理学家们为之着迷 。 研究发现 ， 不融合效应的产生 ， 是由于液滴与液面之间的碰撞会被另外一层介质（例如空气）隔开所致 。 不融合现象的存在 ， 也使得科学家们能够用液体表面来“悬浮”液滴——实现悬浮的秘诀就在于 ， 让液面与液滴都动起来 。
论文第一作者汤剑波博士介绍 ， 在研究中 ， 普遍采用的是经典法拉第实验手段 ， 即让一个液池在竖直方向上受控振动 。 这样一来 ， 置于液池表面上的液滴会随着液面振动 ， 发生周期性弹跳 ， 继而阻止二者融合 。 在这样的液滴—液池系统中 ， 弹跳的液滴每次撞击振动的液池时 ， 均会在液池表面留下一个以液滴为中心 ， 向外扩散的局部波场 。 液滴与其在液面上产生的涟漪 ， 恰好构成了一个宏观波粒二象性体系 。
在竖直方向跳动的液滴 ， 通过与其局部导航波的相互作用 ， 获得水平方向的推力从而产生位移 。 这一液滴的自我助推状态与运动模式被形象比拟为“行走” 。 行走的液滴 ， 与量子力学中导航波理论描述的量子世界粒子 ， 有着很多相似之处 。


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