海南大學團隊破解三維量子湍流衰減難題

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，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典湍流高度相似（稱為準經典湍流）。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，現有理論描述存在空白，不同數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維引力系統動力學方程，首次發現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展提供了全新視角。