來源：經(jīng)濟(jì)日報(bào)

雨滴滴落在水面上，蕩起一圈圈漣漪——這種反常的不融合現(xiàn)象讓物理學(xué)家們?yōu)橹?。（資料圖片）

實(shí)驗(yàn)觀察到的金屬液滴對的在軌旋轉(zhuǎn)追逐運(yùn)動(dòng)（俯視圖）。左、右圖分別顯示一個(gè)短程自鎖的液滴對和一個(gè)長程自鎖的液滴對（箭頭指示液滴運(yùn)動(dòng)方向）。 （資料圖片）

在生活中，很多人會(huì)成為兩個(gè)明星的“CP（配對）粉”。但你知道嗎——我國科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里，發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬的液滴居然也能鎖定“CP”，在軌追逐。這是科學(xué)家首次在液態(tài)金屬宏觀體系中發(fā)現(xiàn)類波粒二象性現(xiàn)象導(dǎo)致的液滴協(xié)同運(yùn)動(dòng)行為，對于探索認(rèn)識原子層級的電子自旋行為乃至宇宙尺度的行星運(yùn)動(dòng)問題均有啟示。

近日，來自清華大學(xué)和中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所的劉靜教授研究團(tuán)隊(duì)，在美國物理學(xué)會(huì)期刊《物理評論流體》上發(fā)表論文，揭示了液態(tài)金屬導(dǎo)航波體系中的宏觀波粒二象性——在導(dǎo)航波觸發(fā)的液態(tài)金屬振蕩液池中，發(fā)生了量子化軌道現(xiàn)象及金屬液滴追逐效應(yīng)。

這是科學(xué)家首次在液態(tài)金屬宏觀體系中發(fā)現(xiàn)類波粒二象性現(xiàn)象導(dǎo)致的液滴協(xié)同運(yùn)動(dòng)行為。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系教授、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所雙聘研究員劉靜告訴經(jīng)濟(jì)日報(bào)記者：“特別是其中的金屬液滴在軌追逐行為十分有趣生動(dòng)，對于探索認(rèn)識原子層級的電子自旋行為乃至宇宙尺度的行星運(yùn)動(dòng)問題均有一定啟示?！?/p>

萬物皆波，怎么看

什么是導(dǎo)航波？這是一個(gè)量子力學(xué)中的概念。

1924年，法國科學(xué)家德布羅意首次提出了“萬物皆波”的大膽猜想，認(rèn)為與光一樣，一切物質(zhì)均具有波粒二象性。波粒二象性是量子力學(xué)發(fā)展的基石?；诖耍虏剂_意提出了導(dǎo)航波理論來描述量子世界的運(yùn)動(dòng)情形。根據(jù)這一理論，量子粒子，比如電子，其運(yùn)動(dòng)由一個(gè)導(dǎo)航波場來引導(dǎo)。若干年后，物理學(xué)家們找到了與德布羅意導(dǎo)航波理論有著驚人相似之處的宏觀體系，即流體導(dǎo)航波體系。

在經(jīng)典流體力學(xué)中，一個(gè)放置于豎直方向振動(dòng)液面上的液滴能夠持續(xù)在液面上彈跳而不發(fā)生融合。進(jìn)一步的，這類不融合液滴會(huì)受到自身撞擊液面形成的局部波作用而產(chǎn)生導(dǎo)向性水平運(yùn)動(dòng)。這種液滴運(yùn)動(dòng)，與量子力學(xué)中導(dǎo)航波理論描繪的量子粒子運(yùn)動(dòng)情形有著驚人相似之處。

對此，我們可以回憶一下下雨天。那時(shí)，你是否看見過雨滴在水潭上激起轉(zhuǎn)瞬即逝的漣漪？擊打在水面上的液滴有一些并不會(huì)立即與水面融合，而是會(huì)在水面上滯留一段時(shí)間。

這種反常的不融合現(xiàn)象及其背后的豐富的動(dòng)力學(xué)知識，一度讓物理學(xué)家們?yōu)橹?。研究發(fā)現(xiàn)，不融合效應(yīng)的產(chǎn)生，是由于液滴與液面之間的碰撞會(huì)被另外一層介質(zhì)（例如空氣）隔開所致。不融合現(xiàn)象的存在，也使得科學(xué)家們能夠用液體表面來“懸浮”液滴——實(shí)現(xiàn)懸浮的秘訣就在于，讓液面與液滴都動(dòng)起來。

論文第一作者湯劍波博士介紹，在研究中，普遍采用的是經(jīng)典法拉第實(shí)驗(yàn)手段，即讓一個(gè)液池在豎直方向上受控振動(dòng)。這樣一來，置于液池表面上的液滴會(huì)隨著液面振動(dòng)，發(fā)生周期性彈跳，繼而阻止二者融合。在這樣的液滴—液池系統(tǒng)中，彈跳的液滴每次撞擊振動(dòng)的液池時(shí)，均會(huì)在液池表面留下一個(gè)以液滴為中心，向外擴(kuò)散的局部波場。液滴與其在液面上產(chǎn)生的漣漪，恰好構(gòu)成了一個(gè)宏觀波粒二象性體系。

在豎直方向跳動(dòng)的液滴，通過與其局部導(dǎo)航波的相互作用，獲得水平方向的推力從而產(chǎn)生位移。這一液滴的自我助推狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)模式被形象比擬為“行走”。行走的液滴，與量子力學(xué)中導(dǎo)航波理論描述的量子世界粒子，有著很多相似之處。

先前研究表明，這種流體導(dǎo)航波體系中的懸浮液滴能模擬量子領(lǐng)域的一系列神秘行為，例如隧穿、干涉等。對這種宏觀層面上波粒二象性的認(rèn)識，使得流體導(dǎo)航波研究近年來引發(fā)科學(xué)界重視。

液滴CP，如何舞

為什么如此重視？因?yàn)槠渌芯客緩蕉继щy了：除了量子體系之外，物理系統(tǒng)中普遍存在著波動(dòng)伴隨的粒子運(yùn)動(dòng)，而這些行為通常要么發(fā)生在極端尺度，要么需要借助特殊條件才能實(shí)現(xiàn)，這給直接觀測和控制帶來了巨大困難。而對于宏觀流體導(dǎo)航波體系來說，其驅(qū)動(dòng)參數(shù)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均可靈活變換，易于實(shí)現(xiàn)。

此前，已有研究考查了常規(guī)流體導(dǎo)航波體系中單個(gè)或者多個(gè)液滴的動(dòng)態(tài)行為，但均具有缺點(diǎn)：有的僅局限于單液滴、單個(gè)導(dǎo)航波場，有的又讓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜化了——因此，科學(xué)家們想尋找一種全新液滴運(yùn)動(dòng)模式。現(xiàn)在，中國科學(xué)家們做到了。

當(dāng)流體導(dǎo)航波體系遇到被稱作“終結(jié)者”流體的液態(tài)金屬時(shí)，會(huì)發(fā)生什么？這正是來自中國研究人員想要探究的問題。

與經(jīng)典流體導(dǎo)航波系統(tǒng)中使用的常規(guī)流體，如硅油相比，室溫液態(tài)金屬鎵銦合金具有獨(dú)特的流體特性，如極大的密度和表面張力，極低的黏性等。對此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)液態(tài)金屬導(dǎo)航波系統(tǒng)，來研究其宏觀波粒二象性。

“流體性質(zhì)差異的確帶來了不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但是，起初觀察到的情景讓人有點(diǎn)失望——我們無法在液態(tài)金屬系統(tǒng)中重現(xiàn)液滴的‘行走’狀態(tài)。而此前研究表明，實(shí)現(xiàn)液滴的‘行走’是激發(fā)液滴水平運(yùn)動(dòng)和其他更復(fù)雜行為的先決條件?！边@項(xiàng)工作的第一作者湯劍波博士說：“然而，在嘗試向液態(tài)金屬系統(tǒng)中加入第二滴液滴的那一刻，我們立即變得興奮起來。”

事實(shí)證明，雖然單個(gè)液態(tài)金屬液滴在水平方向上保持靜止，但當(dāng)兩個(gè)大小不同的液滴在液池上相遇時(shí)，它們會(huì)自動(dòng)耦合（自鎖）成一個(gè)液滴對，并隨即在液池中旋轉(zhuǎn)起來。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬體系中液滴的協(xié)同運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出一系列十分新奇的特征：首先，這些液滴對總是精確沿著以液池的中心為圓心的同心圓環(huán)旋轉(zhuǎn)。其次，液滴對做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)具有方向性。液滴的協(xié)同運(yùn)動(dòng)既可以是兩者中的大液滴追逐著小液滴旋轉(zhuǎn)，也可以是小液滴追逐著大液滴旋轉(zhuǎn)。而追逐的方向取決于兩個(gè)液滴之間的自鎖模式。

如果兩個(gè)液滴彼此相鄰，液滴對則采取前一種旋轉(zhuǎn)模式；反之，如果液滴彼此遠(yuǎn)離，液滴對則采取后一種旋轉(zhuǎn)模式，追逐方向發(fā)生反轉(zhuǎn)。更有趣的是，液態(tài)金屬液滴對的旋轉(zhuǎn)和追逐運(yùn)動(dòng)，具有不同軌道半徑和不同自鎖距離，且兩者均具有明確的量子化數(shù)值特性。

“看到這些活潑的金屬液滴在閃爍著金屬光澤的液池表面上追逐和繞轉(zhuǎn)，這既使我聯(lián)想到了微觀核外電子圍繞原子核的運(yùn)動(dòng)，又將其與廣袤無際的宇宙天體運(yùn)行聯(lián)系起來?！贝隧?xiàng)工作的共同作者博士生趙曦說。

幕后推手，應(yīng)是誰

這些引人入勝的現(xiàn)象背后，是液滴與液池表面的導(dǎo)航波場之間的一系列微妙相互作用。

研究發(fā)現(xiàn)，在所有液態(tài)金屬液滴對中，小液滴在彈跳中總是先于與之耦合的大液滴“抵達(dá)”液面。而正是由于這一豎直方向彈跳的不一致，引起了液滴水平方向的運(yùn)動(dòng)。

“之前的系統(tǒng)中從沒有觀察到這樣多樣化的液滴量子化、軌道化、定向性的液滴運(yùn)動(dòng)，我們相信這些液滴行為的出現(xiàn)是液態(tài)金屬的獨(dú)特流體特性所導(dǎo)致的?！敝笇?dǎo)該研究的劉靜教授說：“我們設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)來揭示其潛在原理和機(jī)制?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)分別對液態(tài)金屬液池和液滴的動(dòng)力學(xué)行為開展了深入研究。他們發(fā)現(xiàn)，這種特殊的運(yùn)動(dòng)模式源于液滴與液池表面波之間的相互作用。

“但是，與之前僅存在單個(gè)導(dǎo)航波場的系統(tǒng)不同，我們當(dāng)前的系統(tǒng)由于液態(tài)金屬自身存在的超常表面張力，會(huì)產(chǎn)生第二個(gè)全局導(dǎo)航波場?！眲㈧o解釋說：“此外，在我們的系統(tǒng)中，液滴是通過與其耦合的液滴局部導(dǎo)航波場相互作用獲得水平推力?！?/p>

研究人員還提出了一個(gè)針對復(fù)合導(dǎo)航波場的粒子—導(dǎo)航波關(guān)聯(lián)框架，從而很好解釋了所觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。他們認(rèn)為，對于液態(tài)金屬導(dǎo)航波體系的探索，一方面豐富了流體力學(xué)不穩(wěn)定性的研究范疇和知識，另一方面也極大擴(kuò)展了流體動(dòng)力學(xué)層面波粒二象性的含義。

“例如，我們發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬液滴對在雙導(dǎo)航波場中的在軌追逐運(yùn)動(dòng)，與光學(xué)系統(tǒng)中納米粒子對的運(yùn)動(dòng)模式具有驚人相似性。”湯劍波指出：“這意味著，我們很可能在更多物理體系中發(fā)現(xiàn)類似運(yùn)動(dòng)，或者用統(tǒng)一的理論去理解不同物理體系的運(yùn)動(dòng)?！?/p>

“我們也看到了一種可能性，即可以通過簡單振動(dòng)一個(gè)液態(tài)金屬液池來模擬其他體系中的運(yùn)動(dòng)。我相信，液態(tài)金屬導(dǎo)航波體系中肯定還存在很多值得探索的科學(xué)問題?！眲㈧o教授補(bǔ)充道