粘度被认为无法从理论上计算,因为它在很大程度上取决于液体的结构、成分和相互作用以及外部条件的复杂程度。诺贝尔奖得主史蒂文·温伯格将计算水的粘度的难度比作计算基本物理常数的问题,而计算基本物理常数就是塑造我们宇宙结构的常数。尽管有这样的困难,研究人员还是开发出了一个计算方程。日前,英国伦敦玛丽女王大学和俄罗斯科学院的科学家已经发现液体流质的极限,科学家们证明有两个基本物理常数决定了液体的流动性。


相关研究成果以“Minimal quantum viscosity from fundamental physical constants”为题,发表在《科学进展》杂志上。


粘度理论计算获突破!科学家找到决定液体流动性的物理常数

论文截图


粘度是什么?


粘度是衡量液体的流质程度的标准,是流体流动力对其内部摩擦现象的一种表示。粘度较高的物质,比较不容易流动;而黏度较低的物质,比较容易流动。


我们都知道,液体在冷却后会变稠,加热后会变稀,但如果我们一直加热,液体能有多稀?


最终,如果在足够高的压力下加热,液体会沸腾,变成气体或致密的类似气体的物质。它在液态和气态之间的过渡点,就是粘度的最小值。


粘度被认为无法从理论上计算,因为它在很大程度上取决于液体的结构、成分和相互作用以及外部条件的复杂程度。诺贝尔奖获得者史蒂芬·温伯格将计算水的粘度的困难比作计算基本物理常数的问题,这些常数构成了我们宇宙的结构。


找到计算液体粘度的方程式


尽管有这样的困难,研究人员还是开发出了这样一个方程。在这项发表在《科学进展》杂志上的研究中,科学家们证明有两个基本物理常数决定了液体的流动性。他们的方程将基本黏度的最小值(也就是分子黏度和体积的乘积)与支配量子世界的普朗克常数和无因次量的“质子与电子质量比”联系起来。


粘度理论计算获突破!科学家找到决定液体流动性的物理常数

上图显示了基本的自然常数是如何设定液体粘度的基本下限的


粘度理论计算获突破!科学家找到决定液体流动性的物理常数

流体的粘度和运动学粘度


物理常数,也就是自然界的常数,是物理宇宙中的可测量属性,是不会改变的。无因次量又称无量纲量,它是不取决于物理单位的选择的基本常数,为单纯的数字,包括圆周率(π)、欧拉常数(e)和黄金分割率(φ)等都是无因次量。与之相对的是有量纲量,诸如长度、面积、时间等单位。



粘度理论计算获突破!科学家找到决定液体流动性的物理常数

科斯塔亚·特拉申科教授


伦敦玛丽女王大学科斯塔亚·特拉申科(Kostya Trachenko)教授说:"这个研究成果令人震惊。粘度是一个复杂的属性,在不同的液体和外部条件下会有很大的变化。然而,我们的研究表明,所有液体的最小粘度原来是简单而普遍的。"


发现这个极限也有实际意义。它可以应用于需要低粘度的化学、工业或生物工艺用新流体的场合。这一点很重要的一个例子是,最近超临界流体被用于处理和溶解复杂废物的绿色和环境清洁方法。在这种情况下,所发现的基本极限提供了一个有用的理论指导。


发现的液体的基本极限为我们提供了一个有用的理论指导,让科学加们追求新的目标。它还告诉我们,我们不应该浪费资源去尝试突破基本极限,因为自然界的常数会在这个点上或更高的位置上塑造粘度。


基本物理常数,特别是无因次量被认为是定义了我们生活的宇宙。质子与电子质量比和另一个无因次量,即精细结构常数之间的微调平衡,支配着恒星中的核反应和核合成,导致了包括碳在内的基本生化元素。


这种平衡提供了一个狭窄的 "宜居区",恒星和行星可以在这里形成,生命的分子结构可以在这里出现。稍微改变其中一个无因次量,宇宙就会变得非常不同,没有恒星、重元素、行星和生命的存在。


特拉申科教授说:"基本常数下限提醒我们,自然界的基本常数与我们的日常密切相关,从清晨泡一杯茶开始,其总体规律延伸到具体而又复杂的特性,如液体粘度等。"


俄罗斯科学院科学家瓦迪姆·布拉日金(Vadim Brazhkin)表示:"有迹象表明,液体粘度的基本下限可能与物理学中非常不同的领域有关:黑洞以及新的物质状态,夸克-质子等离子体,它出现在非常高的温度和压力下。探索和解析这些联系是使科学变得如此激动人心的原因。"


论文链接:https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaba3747

参考链接:https://scitechdaily.com/scientists-discover-fundamental-physical-constants-govern-how-runny-a-liquid-can-be/


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