在你仰望星空時(shí)，是否想到過(guò)行星運(yùn)行的規(guī)律與原子內(nèi)部核外電子繞核運(yùn)動(dòng)的相似之處，又能否想象科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中，也能模擬類(lèi)似的軌道化的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)？近日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院劉靜教授課題組的博士后湯劍波與中科院理化所博士生趙曦將液態(tài)金屬引入流體導(dǎo)航波體系的研究，實(shí)現(xiàn)了一系列全新的量子化的液滴在軌追逐行為。
德布羅意提出的導(dǎo)航波理論為人們描述了一個(gè)導(dǎo)航波引導(dǎo)粒子運(yùn)動(dòng)的量子世界。在量子力學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，哥本哈根詮釋相比導(dǎo)航波理論一直被更多的人所接受。2005年，法國(guó)科學(xué)家用硅油實(shí)現(xiàn)了波粒二象性和導(dǎo)航波理論的實(shí)體化。這一實(shí)驗(yàn)引發(fā)了學(xué)界對(duì)導(dǎo)航波理論的關(guān)注以及對(duì)量子世界的重新思考。在量子力學(xué)理論的天平上，這一發(fā)現(xiàn)為導(dǎo)航波理論的一端加上了質(zhì)量可觀(guān)的砝碼。
流體導(dǎo)航波系統(tǒng)由一個(gè)上下振動(dòng)的液池和懸浮在上面的液滴組成，系統(tǒng)中的液滴雖然和液池屬于同一種液體，但通過(guò)“雷諾潤(rùn)滑”效應(yīng)，液滴懸浮其中，二者并不互融。生活中亦有相似現(xiàn)象。下雨時(shí)，雨滴落在水面上的瞬間首先會(huì)形成一層薄薄的分界，并蕩漾出漣漪，隨后，水滴和液面才會(huì)真正融合。
研究發(fā)現(xiàn)，如果液池振動(dòng)的加速度過(guò)小，則系統(tǒng)不足以維持液滴的懸浮；而如果加速度過(guò)大，超過(guò)液池的法拉第加速度臨界值，液池表面則會(huì)突然失穩(wěn)，同樣無(wú)法懸浮液滴。當(dāng)液池振動(dòng)的加速度正好在這個(gè)上、下限之間時(shí)，液滴激起的漣漪可以為液滴產(chǎn)生助推和導(dǎo)航作用。液態(tài)金屬作為一種特殊的液體，其液滴與水滴類(lèi)似，接觸到金屬液滴的液池同樣可以產(chǎn)生水波紋一樣的局部導(dǎo)航波。
然而，硅油系統(tǒng)的不足在于該系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)液滴行為的驅(qū)動(dòng)加速度要求很苛刻，其懸浮液滴的研究只能限于臨界法拉第加速度之下的一個(gè)非常小的區(qū)間。面對(duì)這經(jīng)典的流體力學(xué)不穩(wěn)定難題，去年一月，湯劍波博士的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬體系由于能夠形成高度規(guī)則的圖案，即使超過(guò)法拉第加速度，金屬液滴也能十分穩(wěn)定地懸浮于液面之上。
相比傳統(tǒng)非導(dǎo)電流體，液態(tài)金屬得益于優(yōu)良的導(dǎo)電性，借助電場(chǎng)觸發(fā)，液滴可以隨界面的流動(dòng)而滑移，這便是2017年湯劍波博士及其同事發(fā)現(xiàn)的“液態(tài)金屬?zèng)_浪效應(yīng)”。種種優(yōu)良特性，讓奔涌的金屬液滴成為幫助人們認(rèn)識(shí)量子世界和其它物理體系的最佳“后浪”。
在液態(tài)金屬導(dǎo)航波體系當(dāng)中，單個(gè)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)，他們會(huì)自動(dòng)耦合成一個(gè)液滴對(duì)。當(dāng)兩液滴彼此相鄰，大液滴追隨小液滴旋轉(zhuǎn)；而當(dāng)兩液滴相遠(yuǎn)離時(shí)，運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)向，此時(shí)小液滴追隨大液滴旋轉(zhuǎn)。
“我們的預(yù)期是先通過(guò)實(shí)現(xiàn)與之前硅油系統(tǒng)類(lèi)似的單個(gè)液滴的平動(dòng)，然后再調(diào)節(jié)產(chǎn)生更復(fù)雜的液滴行為。”湯劍波博士坦言，雙液滴的神奇現(xiàn)象實(shí)屬意外所得。
這種復(fù)合導(dǎo)航波場(chǎng)導(dǎo)致的液滴方向性旋轉(zhuǎn)，在光學(xué)領(lǐng)域也有相似現(xiàn)象。但光學(xué)系統(tǒng)只展示過(guò)一種模式的旋轉(zhuǎn)追逐，湯博士團(tuán)隊(duì)的液態(tài)金屬流體系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了超過(guò)十種模式。
在豎直方向上，兩個(gè)液滴始終在跳動(dòng)并自發(fā)保持特定的相位差。這是因?yàn)樵趶椞鴷r(shí)液滴和液面都會(huì)發(fā)生彈性形變，大小不同的液滴“彈簧”的彈簧常數(shù)也不一樣，相對(duì)“笨拙”的大液滴總是晚于小液滴抵達(dá)液面。而正是這一差別，引起了液滴水平方向的運(yùn)動(dòng)——液滴通過(guò)與其耦合的液滴的局部導(dǎo)航波場(chǎng)相互作用獲得水平推力，從而在液池中完成追逐和旋轉(zhuǎn)。液滴追逐和旋轉(zhuǎn)的量子化軌道則是由液池液面振動(dòng)產(chǎn)生的全局導(dǎo)航波場(chǎng)提供的。得益于液態(tài)金屬體系中局部導(dǎo)航波和全局導(dǎo)航波疊加形成的復(fù)合導(dǎo)航波場(chǎng)，其中的液滴運(yùn)動(dòng)比以往的硅油系統(tǒng)更豐富、更復(fù)雜。
不論宇宙、液滴，還是原子、光粒，波與粒子的相互作用無(wú)處不在，從宏觀(guān)到微觀(guān)的不同物理系統(tǒng)的相似現(xiàn)象都可以結(jié)合粒子與波動(dòng)的模型進(jìn)行描述。
“這不是單純的巧合?！睖珓Σú┦空f(shuō)。
物理之美，在于普適萬(wàn)物。液態(tài)金屬液滴，或許就是連接蒼穹和微粒的那一座巨大而又精微的科學(xué)之橋。
