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  近日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院劉靜教授課題組聯(lián)合中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，在液態(tài)金屬基礎(chǔ)研究中取得進(jìn)展，實(shí)驗(yàn)中首次觀察到了液態(tài)金屬流體宏觀體系中的波粒二象性，為借助金屬流體行為認(rèn)識(shí)量子世界乃至更多物理體系開啟了一條全新的途徑（圖1）。相關(guān)成果以“復(fù)合導(dǎo)航波場中液態(tài)金屬液滴的量子化在軌追逐行為（Quantized orbital-chasing liquid metal heterodimers directed by an integrated pilot-wave field）”為題，在線發(fā)表于美國物理學(xué)會(huì)期刊《物理評(píng)論流體》上。

圖1  液態(tài)金屬液池表面的量子化軌道和在軌追逐的液態(tài)金屬液滴

  波粒二象性是指物質(zhì)在具有粒子特性的同時(shí)又會(huì)表現(xiàn)出波動(dòng)特性。量子世界之所以神秘，是因?yàn)樗錆M了這類讓人難以琢磨的既是粒子又是波的物質(zhì)。這使得我們無法單獨(dú)用粒子或者波動(dòng)的理論來描述量子世界。玻爾等人提出量子體系中粒子的位置或者狀態(tài)是概率性的，可以通過一個(gè)波函數(shù)來描述。這一觀點(diǎn)逐漸演變成為量子力學(xué)的哥本哈根詮釋。與玻爾抽象的概率波概念不同，德布羅意則認(rèn)為，量子粒子的運(yùn)動(dòng)是由實(shí)際存在的物質(zhì)波所導(dǎo)航的。在量子力學(xué)的發(fā)展過程中，哥本哈根詮釋相比導(dǎo)航波理論一直以來被更多的人所接受。然而，很多人也對玻爾的理論持懷疑態(tài)度，其中不乏物理和量子力學(xué)權(quán)威和大家。例如，愛因斯坦就曾以“上帝不會(huì)擲骰子”的觀點(diǎn)來反駁玻爾。2005年法國科學(xué)家伊夫·庫代（Yves Couder）的團(tuán)隊(duì)用硅油實(shí)現(xiàn)了波粒二象性的實(shí)體化，這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了人們對導(dǎo)航波理論以及量子世界本質(zhì)的重新思考。

  這種所謂流體導(dǎo)航波體系的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由一個(gè)上下振動(dòng)的液池和“懸浮”在上邊的液滴組成。雖然液池和液滴是同一種液體，但是一種叫作雷諾潤滑的流體效應(yīng)可以有效的防止兩者的融合。從而液滴可以在液池上維持周期性的彈跳，這場景就像液滴被置于一個(gè)流體蹦床上。液滴每一次落到流體蹦床上的時(shí)候，都會(huì)在液面留下一個(gè)以液滴為中心向外擴(kuò)散的波場。這樣一來，液滴與其在液面上產(chǎn)生的漣漪恰好構(gòu)成了一個(gè)宏觀的波粒二象性體系。來自法國以及美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家之后在這種硅油體系中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了液滴的干涉、遂穿以及圍欄效應(yīng)等類量子行為。此次清華與中科院理化所聯(lián)合小組的研究，開創(chuàng)性的將室溫液態(tài)金屬引入流體導(dǎo)航波體系，成功構(gòu)建了一個(gè)復(fù)合導(dǎo)航波場對液滴加以引導(dǎo)，由此實(shí)現(xiàn)了一系列全新的量子化的液滴在軌追逐行為（圖2）。來自麻省理工學(xué)院的約翰·布什教授（John W. M. Bush）在評(píng)論這一項(xiàng)工作時(shí)指出：“作者們通過引入液態(tài)金屬為流體導(dǎo)航波體系研究打開了一扇全新的窗戶”。

圖2  液態(tài)金屬液滴在復(fù)合導(dǎo)航波場中的在軌追逐運(yùn)動(dòng)俯視示意圖

  在之前報(bào)導(dǎo)過的硅油體系中，液滴的運(yùn)動(dòng)是由液滴自身產(chǎn)生的單一導(dǎo)航波場來導(dǎo)航的。而在我們的體系中，液滴的彈跳和液池邊界的振動(dòng)會(huì)分別產(chǎn)生一個(gè)局部導(dǎo)航波和一個(gè)全局導(dǎo)航波，這是由于液態(tài)金屬的特殊流體性質(zhì)決定的�！边@項(xiàng)研究的第一作者湯劍波博士解釋道，“正因如此，我們能夠?qū)崿F(xiàn)更豐富更復(fù)雜的液滴導(dǎo)航模式”。

  正如核外電子繞原子核旋轉(zhuǎn)的軌道是量子化的一樣，液態(tài)金屬液池表面形成的環(huán)形全局導(dǎo)航波軌道也具有類似的量子化特征。因此，在其中追逐的液滴的軌跡是一系列不同直徑的環(huán)形軌跡（圖3a）。研究還發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整兩個(gè)液滴之間不同的組合方式，可以實(shí)現(xiàn)液滴在軌追逐方向的改變（圖3b）。這種復(fù)合導(dǎo)航波場導(dǎo)致的液滴的方向性旋轉(zhuǎn)可以進(jìn)一步與泡利不相容原理描述的原子軌道上電子的正向和反向自旋行為類比。

圖3  高速相機(jī)拍攝的不同模式下液態(tài)金屬液滴的量子化在軌追逐運(yùn)動(dòng)（a 不同軌道半徑; b 不同液滴間距）

  這些引人入勝的現(xiàn)象的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。從側(cè)面觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些在液面水平方向上旋轉(zhuǎn)追逐的液滴同時(shí)在豎直方向上不停的彈跳。研究發(fā)現(xiàn)，如果兩個(gè)液滴的大小不相同，他們彈跳的節(jié)奏就會(huì)不同步。較小的液滴在彈跳過程中總是先于較大的液滴抵達(dá)液面。而正是由于這一豎直方向彈跳的不同步引起了液滴水平方向的運(yùn)動(dòng)（圖4）。

圖4  液態(tài)金屬液滴追逐運(yùn)動(dòng)的側(cè)視圖

  在談到該研究的意義時(shí)，劉靜表示：“流體導(dǎo)航波體系在宏觀尺度上向我們展示了一個(gè)可能的量子世界。液態(tài)金屬的引入一方面將導(dǎo)航波運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步擴(kuò)展到存在另一個(gè)外場約束的情形。另一方面，這項(xiàng)工作也將流體的波粒二象性推廣到其它存在粒子和波相互作用的物理體系。例如，在光學(xué)系統(tǒng)中曾觀察到與我們系統(tǒng)有著驚人相似性的在軌追逐運(yùn)動(dòng)。更令人欣喜的是，這意味著或許可以通過我們的液態(tài)金屬導(dǎo)航波體系去認(rèn)識(shí)或者模擬諸如量子體系等復(fù)雜的物理系統(tǒng)�！�

  文章第一作者為清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后湯劍波，共同作者還有中科院理化所博士生趙曦。湯劍波和劉靜是本文的共同通訊作者。

  文章鏈接:https://journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.5.053603