6月26日，記者從海南大學獲悉，該校物理與光電工程學院、理論物理研究中心曾化碧團隊在三維量子湍流研究領域取得新進展。該團隊首次應用引力全息對偶理論，系統(tǒng)研究了三維量子湍流的耗散機制與渦旋線衰減動力學，成功解決了準經(jīng)典湍流與極端量子湍流過渡機制的理論難題，為超流體實驗觀測提供了關鍵理論支撐。相關成果近日發(fā)表在國際期刊《物理評論快報》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力學是量子湍流研究的核心難點之一。通常認為，當渦旋線密度較高時，量子湍流的行為與經(jīng)典湍流高度相似（稱為準經(jīng)典湍流）。英國著名量子湍流物理學家維寧（Vinen）曾提出，其能量衰減動力學與經(jīng)典湍流類似，并推導出描述湍流能量耗散與渦旋線密度關系的方程。而當渦旋線密度較低時，量子力學效應顯著（稱為極端量子湍流），維寧猜測其能量衰減動力學仍可用該方程描述，但該方程的物理根源一直缺乏嚴格理論證明。此外，關于兩種湍流之間的過渡機制，現(xiàn)有理論描述存在空白，不同數(shù)值模擬結果也存在矛盾。
由弦論物理學家馬爾達西那于1997年提出的引力全息對偶（也稱“規(guī)范/引力對偶”“反德西特/共形場論對偶”）理論指出，一個黑洞時空引力理論的在殼作用量，可等價于一個少一維的量子場論作用量。作為一種強弱對偶，全息對偶在數(shù)學上為強耦合量子場論問題提供了非微擾研究方法——通過將強耦合量子多體系統(tǒng)的難題轉化為可嚴格求解的弦理論或引力問題，已被廣泛應用于量子色動力學等領域。
為揭示三維量子湍流的衰減動力學規(guī)律，研究團隊借助引力全息對偶理論，通過求解與3+1維湍流對偶的4+1維引力系統(tǒng)動力學方程，首次發(fā)現(xiàn)渦旋線衰減的普適標度律，明確了能量耗散率與渦旋線密度的定量關系。該成果不僅驗證了維寧公式的普適性，還完美解釋了氦-3、氦-4超流湍流實驗中觀測到的渦旋線衰減行為。
同時，團隊基于非平衡引力全息對偶的模擬結果，提出了簡潔的物理機制，推導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經(jīng)典湍流與極端量子湍流的過渡機制，為量子湍流領域的理論發(fā)展提供了全新視角。
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