对一些人来说，“完美水流”的声音可能是森林小溪的轻轻拍打声，也可能是从水罐里倒出的叮当声。对于物理学家来说，完美的流动更为具体，指的是在量子力学定律允许的最小摩擦力或粘度下流动的流体。这种完美的流体行为在自然界中是罕见的，但它被认为发生在中子星的核心和早期宇宙的等离子体中。
现在麻省理工学院的物理学家在实验室里创造了一种完美的流体：
研究小组通过一种被称为费米子的基本粒子发送出去。可以听到的音调是像拨动的琴弦一样共振的特定频率。
研究人员分析了穿过这种气体的数千个声波，以测量其“声扩散”作用，即声音在气体中消散的速度，这与材料的粘度或内耗直接相关。
令人惊讶的是，他们发现流体的声音扩散如此之低，以至于可以用一个称为普朗克常数的自然常数，以及流体中单个费米子的质量来描述。
这个基本值证实了强相互作用费米子气体是一种理想流体，具有普遍性。今天发表在《科学》杂志上的这项研究结果首次证明了科学家能够测量完美流体中的声音扩散。
科学家们现在可以用这种流体作为其他更复杂的完美流的模型，来估计早期宇宙中等离子体的粘度，以及中子星内部的量子摩擦，否则这些性质是无法计算的。科学家们甚至可以做出大致的预测。
麻省理工学院Thomas a.Frank物理学教授马丁·兹维莱因（martinzwierlein）说：“听中子星的声音是相当困难的。“但现在你可以在实验室里用原子来模拟它，摇动原子汤，你听到的就是类似于中子星的声音。”
虽然中子星和研究小组的气体在大小和声音传播的速度上有很大的不同，但根据一些粗略的计算，Zwierlein估计，这颗恒星的共振频率将与气体的共振频率相似，甚至可以听到——“如果你能靠近耳朵而不被重力撕裂的话，”他补充道。
Zwierlein的合著者是麻省理工学院哈佛超冷原子中心的主要作者Parth Patel，Zhenjie Yan，Biswaroop Mukherjee，Richard Fletcher和Julian Strike。
为了在实验室中创造出一种完美的流体，Zwierlein的团队产生了一种由强烈相互作用的费米子组成的气体——基本粒子，如电子、质子和中子，被认为是所有物质的组成部分。费米子是由它的半整数自旋来定义的，这种性质可以防止一个费米子假设与另一个附近费米子相同的自旋。这种排他性使得元素周期表中原子结构的多样性成为可能。
Zwierlein说：“如果电子不是费米子，而是乐于处于同一状态，氢、氦和所有原子，以及我们自己，看起来都一样，就像一些可怕的、无聊的汤。”。
费米子自然喜欢彼此分开。但当它们相互作用强烈时，它们可以表现为一种非常低粘度的完美流体。为了创造出这样一种完美的流体，研究人员首先使用一种激光系统来捕获一种被认为是费米子的锂-6原子气体。
研究人员精确地配置了激光器，在费米子气体周围形成了一个光学盒。激光被调校到每当费米子击中盒子边缘时，它们就会反弹回气体中。同时，费米子之间的相互作用被控制在量子力学允许的强度范围内，因此在盒子里，费米子在每次相遇时都必须相互碰撞。这使得费米子变成了完美的流体。
Zwierlein说：“我们必须制造一种密度均匀的流体，只有这样我们才能在一侧敲击，倾听另一侧的声音，并从中学习。”“事实上，要到达这样一个我们可以用这种看似自然的方式使用声音的地方，确实是相当困难的。”
然后，研究小组通过改变其中一个壁的亮度，将声波穿过光学盒的一侧，以特定频率通过流体产生类似声音的振动。他们记录了数千张每一个声波通过时流体的快照。
Zwierlein说：“所有这些快照一起给我们提供了一个超声波图，这有点像在医生办公室做超声波检查时所做的。”
他们能够观察到流体对每种声波的密度波动，然后找在液体中产生共振或放大声音的声音频率，类似于对着酒杯唱歌，然后找出它破碎的频率。
Zwierlein解释说：“共振的质量告诉我流体的粘度，或者说声音的扩散率。“如果一种流体的粘度很低，它可以建立一个非常强的声波，如果以适当的频率撞击，声音会非常大。如果它是一种非常粘稠的液体，那么它就没有任何好的共振。”
从他们的数据中，研究人员观察到了流体的明显共振，特别是在低频下。根据这些共振的分布，他们计算了流体的声音扩散。他们发现，这个值也可以通过普朗克常数和气体中平均费米子的质量来计算。
这告诉研究人员，气体是一种完美的流体，在本质上是基本的：它的声音扩散，因此它的粘度，处于量子力学设定的最低限度。
Zwierlein说，除了使用这些结果来估计更奇异的物质（如中子星）的量子摩擦之外，这个结果还有助于理解某些材料是如何被制成完美的超导流的。
Zwierlein说：“这项工作直接与材料的电阻有关。“在计算出气体的最小电阻后，我们知道了电子在材料中会发生什么，以及如何制造出可以完美流动的电子材料。”
这项研究在一定程度上得到了国家科学基金会和NSF超冷原子中心、空军科学研究办公室、海军研究办公室以及大卫和露西尔·帕卡德基金会的支持。
