Секрет квантовой жидкости раскрыт? Уравнения Навье-Стокса нашли новое применение для одномерных жидкостей

Варшавские физики совершили то, что раньше казалось невозможным: они вывели классические уравнения Навье-Стокса из квантовой механики. Это не просто математический трюк, а фундаментальный прорыв, который стирает границу между макроскопической гидродинамикой и миром квантовых частиц. Исследование показывает, что течение квантовой жидкости, вопреки ожиданиям, подчиняется тем же законам, что и обычная вода, но с принципиально иными механизмами на микроуровне.

Квантовая жидкость на нити: почему одномерность стала ключом

Ученые Мацей Лебек и Милош Панфиль сосредоточились на одномерных квантовых жидкостях — системах, где частицы движутся строго вдоль линии, словно бусины по нити. В таких условиях проявляется квантовая интегрируемость: множество законов сохранения позволяют описывать состояние системы с высокой точностью даже при сильных взаимодействиях. Именно это свойство и стало отправной точкой для исследования.

Проблема вязкости: как обойти «нулевое» сопротивление

Классическая кинетическая теория предсказывает для слабо взаимодействующих квантовых жидкостей нулевую вязкость. Однако эксперименты с ультрахолодными газами демонстрируют обратное. Варшавская группа нашла способ учесть так называемые неинтегрируемые возмущения — слабые дополнительные взаимодействия, нарушающие идеальную картину. Они модифицировали уравнения обобщенной гидродинамики, добавив в них член, напоминающий кинетическое уравнение Больцмана.

Формулы для вязкости и теплопроводности: двойная природа переноса

Из этой модифицированной модели исследователи неожиданно вывели классические уравнения Навье-Стокса. Более того, они получили точные формулы для коэффициентов переноса (вязкости и теплопроводности). Ключевое открытие: эти коэффициенты складываются из двух компонентов — один связан с интегрируемыми взаимодействиями, другой — с неинтегрируемыми. Именно вторая составляющая и дает ненулевую вязкость, разрешая давний парадокс.

Ранее считалось, что уравнения Навье-Стокса, созданные в XIX веке для описания океанических течений и потоков крови, неприменимы в квантовом мире с его запутанностью и туннелированием. Работа варшавских физиков доказывает обратное: классическая гидродинамика работает и там, но требует «квантовой поправки» на микроскопические взаимодействия.

Практическое значение открытия выходит далеко за рамки теоретической физики. Полученные результаты напрямую применимы к современным экспериментам с ультрахолодными атомами, которые проводятся по всему миру. Теперь ученые могут точно предсказать, как микроскопические взаимодействия между атомами влияют на макроскопические свойства жидкости — например, на ее текучесть и теплопроводность. В перспективе это может привести к созданию новой квантовой гидродинамики, описывающей поведение материи в самых экстремальных условиях — от нейтронных звезд до сверхтекучего гелия.