當一個裝有硅油或其他類似液體的容器以一定頻率垂直搖動時，放置在液體表面1毫米大小的相同液體液滴在它們自身波浪推動下，以大約1厘米/秒的速度“行走”過表面。在一項新研究中，物理學家們發(fā)現(xiàn)這些行走的水滴比以前觀測到的要大得多(直徑可達2.8毫米)，速度也更快(5厘米/秒)。

這些“超級步行者”展示了一系列前所未見的行為，包括新穎的同步運動。步行者的一個有趣特征是，雖然運動可以完全用經(jīng)典力學來解釋。但一些行為模仿了某些通常只存在于原子尺度上的量子現(xiàn)象。

這些特征的例子包括隧穿、量子化軌道和多個液滴之間的相關(guān)性。從某種意義上說，液滴力學可以看作是經(jīng)典力學和量子力學的結(jié)合，粒子和波的行為同時存在。莫納什大學科學家Rahil Valani和Anja Slim，以及斯文本科技大學的Tapio Simula在新一期的《物理評論快報》上發(fā)表了關(guān)于“超級步行者”的論文。超級步行者開啟了一個全新的世界，探索已經(jīng)顯示出奇異行為的行走液滴研究領(lǐng)域。為了制造一個正常大小的步行器，一個裝有液體的容器要以一個固定的頻率垂直搖動，比如80赫茲。

在這項新的=研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，當液體同時受到兩種頻率的驅(qū)動時（例如，80赫茲和它的次諧波頻率40赫茲）放在表面的液滴就會成為超級步行者。為了創(chuàng)造超級步行者，研究人員要么使用注射器(對于較大的超級步行者)，要么快速浸入水中并從液體中抽出一根針(對于較小的超級步行者)。由于體型龐大，超級步行者有很大慣性，這意味著它們抗拒改變。超級步行者可以利用慣性來克服通常阻止步行者彼此接觸的波障。因此，由于重疊的波場，這些超級步行者可以更強烈地相互作用。

這種互動產(chǎn)生了很多新的有趣行為。例如，超級步行者可以成對或成群地緊密結(jié)合在一起，它們之間只有一層薄薄的空氣。如果有不同的尺寸，沿圓周運動，但如果有相同的尺寸，就沿直線運動。在其他條件下，超級步行者表現(xiàn)得像“追求者”，在這種情況下，較小超級步行者會追趕較大的，有時會形成長長的隊伍。另一些時候，超級步行者會形成“散步配對”，肩并肩走著，互相彈跳。有時候，超級步行者會繞著彼此的軌道運行，就像雙星一樣，這也是正常尺寸步行者會做的事情。

但是，如果一個超級步行者比另一個大，它們就會間歇性地改變軌道方向。通過調(diào)整振蕩幅度和頻率，研究人員發(fā)現(xiàn)了其他新行為。例如在低驅(qū)動振幅的40赫茲振動，超級步行者采取晶體配置。隨著振幅的逐漸增大，超級步行者開始抖動，然后失去晶體結(jié)構(gòu)，最后開始像臺球一樣快速地相互反彈。研究人員將這些動力學現(xiàn)象與以振幅作為溫度參數(shù)的固液氣相變進行了比較。當把次諧波頻率稍微降低到39.5赫茲時，觀察到超級步行者表現(xiàn)出同步的走走停停運動，他們都同步走路，然后同時停下來，然后再走。

這種行為的發(fā)生是因為兩個頻率之間不斷變化的相位差導致超級步行者在超級步態(tài)和彈跳狀態(tài)之間來回切換。研究人員預計，未來研究將揭示更多關(guān)于超級步行者的量子特征。這些行走液滴形成了一個迷人的動力系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，每次彈跳的液滴都會在自身周圍產(chǎn)生一種波，而這些波反過來又引導水滴運動，從而形成一個移動的波-水滴實體。步行者已經(jīng)被證明可以模擬幾個量子特征，探索超級步行者在此類實驗中的行為將很有趣。

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參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.024503

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