来自伦敦玛丽女王大学和俄罗斯科学院的科学家发现,液体的流动性是有限度的。粘度是衡量液体流动性的一个指标,它是我们每天在装满水壶、洗澡、倒食用油或在空气中流动时所体验到的一种特性。
我们知道液体在冷却时变浓,在加热时变稀,但如果我们继续加热液体,它会变得多稀?最终,液体沸腾,如果在足够高的压力下加热,就会变成气体或稠密的类气体物质。而在液态和气态之间的转变点就是粘度的最小值。
粘度在理论上被认为是不可能计算的,因为它在很大程度上取决于液体的结构、组成和相互作用以及外部条件。诺贝尔奖获得者史蒂文·温伯格把计算水的粘度的困难比作计算基本的物理常数,这些常数构成了我们宇宙的结构。
尽管有这个困难,但研究人员已经发展出一个方程来解决这个问题。这项发表在《科学进展》杂志上的研究表明,两个基本的物理常数决定了液体的流动性。物理常数,或自然常数,是物理宇宙中不改变的可测量性质。
他们的方程将基本粘度的最小值(粘度和每个分子体积的乘积)与普朗克常数(普朗克常数支配着量子世界)和无量纲质子与电子的质量比联系起来。伦敦玛丽女王大学论文的主要作者克斯特亚特雷琴科(Kostya Trachenko)教授说:“这一结果令人震惊。粘度是一个复杂的性质,在不同的液体和外界条件下变化很大。然而,我们的结果表明,所有液体的最小粘度都是简单而普遍的。”
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。它还告诉我们,我们不应该浪费资源试图突破基本极限,因为自然常数会在此点或更高点塑造粘度。
基本物理常数,特别是无量纲常数(不依赖于物理单位选择的基本常数)被认为定义了我们生活的宇宙。质子与电子质量比和另一个无量纲常数(精细结构常数)之间的微调平衡,控制恒星中的核反应和核合成,从而产生包括碳在内的基本生化元素。
这种平衡提供了一个狭窄的“宜居区域”,在其中可以形成恒星和行星,并可以出现维持生命的分子结构。稍微改变其中一个无量纲的基本常数,宇宙将变得非常不同,没有恒星,重元素,行星和生命。
较低的基本限度提醒我们自然的基本常数如何每天影响我们,从制作一杯早晨的茶开始,将其总体规则扩展到特定但复杂的特性,例如液体粘度。有迹象表明,液体粘度的基本下限可能与物理学的不同领域有关:黑洞以及新的物质夸克 -胶子等离子体,它们在非常高的温度和压力下出现。探索和欣赏这些以及其他联系是使科学如此令人兴奋的原因之一。
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