海南大学团队破解三维量子湍流衰减难题

6月26日，记者从海南大学获悉，该校物理与光电工程学院、理论物理研究中心曾化碧团队在三维量子湍流研究领域取得新进展。该团队首次应用引力全息对偶理论，系统研究了三维量子湍流的耗散机制与涡旋线衰减动力学，成功解决了准经典湍流与极端量子湍流过渡机制的理论难题，为超流体实验观测提供了关键理论支撑。相关成果近日发表在国际期刊《物理评论快报》上。

曾化碧介绍，三维量子湍流是典型的量子多体系统，其涡旋线的集体衰减动力学是量子湍流研究的核心难点之一。通常认为，当涡旋线密度较高时，量子湍流的行为与经典湍流高度相似（称为准经典湍流）。英国著名量子湍流物理学家维宁（Vinen）曾提出，其能量衰减动力学与经典湍流类似，并推导出描述湍流能量耗散与涡旋线密度关系的方程。而当涡旋线密度较低时，量子力学效应显著（称为极端量子湍流），维宁猜测其能量衰减动力学仍可用该方程描述，但该方程的物理根源一直缺乏严格理论证明。此外，关于两种湍流之间的过渡机制，现有理论描述存在空白，不同数值模拟结果也存在矛盾。

由弦论物理学家马尔达西那于1997年提出的引力全息对偶（也称“规范/引力对偶”“反德西特/共形场论对偶”）理论指出，一个黑洞时空引力理论的在壳作用量，可等价于一个少一维的量子场论作用量。作为一种强弱对偶，全息对偶在数学上为强耦合量子场论问题提供了非微扰研究方法——通过将强耦合量子多体系统的难题转化为可严格求解的弦理论或引力问题，已被广泛应用于量子色动力学等领域。

为揭示三维量子湍流的衰减动力学规律，研究团队借助引力全息对偶理论，通过求解与3+1维湍流对偶的4+1维引力系统动力学方程，首次发现涡旋线衰减的普适标度律，明确了能量耗散率与涡旋线密度的定量关系。该成果不仅验证了维宁公式的普适性，还完美解释了氦-3、氦-4超流湍流实验中观测到的涡旋线衰减行为。

同时，团队基于非平衡引力全息对偶的模拟结果，提出了简洁的物理机制，推导出的涡旋线衰减方程与维宁的猜想完全一致，首次从理论上阐明了准经典湍流与极端量子湍流的过渡机制，为量子湍流领域的理论发展提供了全新视角。