Jak zmiany w entropii i superpłynności wpływają na właściwości cieplne cieczy He-II?

Model dwóch cieczy, który opisuje zachowanie cieczy w stanie superpłynności, pozostaje podstawą wielu teorii fizycznych dotyczących He-II, jednak różne rozszerzenia tego modelu pozwalają lepiej uchwycić mikroskalowe efekty, które wpływają na jego makroskalowe właściwości, w tym przepływ ciepła, prędkość dźwięku, a także oddziaływania między składnikami normalnym i superpłynem. Przykład teorii rozważającej wpływ entropii superpłynnej na dynamikę tych dwóch komponentów w cieczy He-II ilustruje, jak wprowadzenie małych poprawek do klasycznego modelu Landaua może znacząco zmienić nasze rozumienie takich zjawisk.

Na podstawie rozszerzonego modelu, w którym uwzględnia się wpływ entropii superpłynnej, można zauważyć, że jej obecność wpływa na prędkości komponentów normalnego i superpłynnego. Na przykład, w przypadku prędkości drugiego dźwięku (tzw. dźwięku II rodzaju), entropia superpłynna ma wpływ na zmiany tych prędkości oraz na tłumienie dźwięku, co nie ma miejsca w klasycznym modelu, gdzie zakłada się, że składnik superpłynny nie przenosi entropii. Istotnie, zmiany w tym parametrze wpływają na dynamikę prędkości zarówno normalnego, jak i superpłynnego składnika. Wzory, takie jak $\mathbf{u}_{(n)}$ i $\mathbf{u}_{(s)}$, które opisują prędkości tych składników, uwzględniają korekty wynikające z obecności tej entropii. Tego typu zmiany są szczególnie ważne, gdy model oparty na jednym płynie jest rozszerzany do modelu dwóch cieczy, a zmiany w zachowaniu entropii prowadzą do modyfikacji prędkości dźwięku i ich tłumienia.

Dodatkowo, rozszerzenie teorii o wpływ entropii superpłynnej jest istotne nie tylko w kontekście dynamiki prędkości dźwięku, ale również w bardziej ogólnym opisie transportu ciepła w He-II. Zmienia to sposób, w jaki opisujemy transport energii w cieczy. O ile w klasycznym modelu zakłada się, że energia jest transportowana przez normalny składnik, o tyle w rozszerzonym modelu entropia superpłynna wpływa na przepływ ciepła, co może prowadzić do nowych przewidywań, zwłaszcza w kontekście transportu cieplnego w wąskich kanałach, gdzie efekt rozpraszania kwazicząsteczek staje się dominujący.

Należy zauważyć, że na poziomie mikroskalowym, ciepło jest przenoszone przez kwazicząsteczki, a energia tych cząsteczek zależy od różnicy entropii między składnikami. To może mieć kluczowe znaczenie dla zrozumienia zachowania cieczy He-II w warunkach, gdzie wpływ mikroskalowych interakcji (takich jak oddziaływania między rotonami i fononami) staje się bardziej widoczny. W szczególności, zmieniając entropię składnika superpłynnego, jesteśmy w stanie lepiej zrozumieć, jak ta zmiana wpływa na transport ciepła oraz na dynamikę samych kwazicząsteczek.

Pomimo iż efekt ten jest zwykle mały, jego obecność może prowadzić do zauważalnych zmian w zachowaniu cieczy w niskotemperaturowych eksperymentach, szczególnie w warunkach, gdzie superpłynność jest szczególnie wyraźna. W takich przypadkach, wpływ małych poprawek, takich jak entropia superpłynna, staje się istotny dla poprawności predykcji eksperymentalnych i może prowadzić do nowych odkryć w fizyce cieczy kwantowych.

Zjawisko zwiększenia prędkości kątowej skorupy gwiazdy neutronowej podczas zakłóceń

W przypadku gwiazd neutronowych, szczególnie tych w fazie superpłynności, zakłócenia, znane jako „glitche”, stanowią jedno z bardziej zagadkowych zjawisk astrofizycznych. Podczas tych zdarzeń następuje nagła zmiana w dynamice gwiazdy, która przejawia się w skokowej zmianie prędkości kątowej jej skorupy. Glitche mogą być wynikiem interakcji między kwantyzowanymi wirami w superpłynnej części gwiazdy a normalnym płynem, co prowadzi do zwiększenia momentu pędu systemu.

W kontekście gwiazd neutronowych, które zawierają zarówno superpłynne, jak i normalne komponenty, takie zakłócenia są wyrazem współdziałania między tymi dwoma składnikami. Superpłynność w tych gwiazdach wynika z obecności kwantyzowanych wirów w płynnej części, które mogą oddziaływać z normalnym płynem, wywołując wzrost momentu pędu, co w efekcie zmienia prędkość kątową skorupy. Zjawisko to, choć obserwowane w laboratoriach na Ziemi, nabiera wyjątkowego znaczenia w astrofizyce, zwłaszcza w kontekście badań pulsarów i dynamiki gwiazd neutronowych.

Zakłócenia te są interpretowane w ramach teorii turbulencji kwantowej, w której wirowe struktury (kwantyzowane wiry) oddziałują z superpłynnością, tworząc stan niestabilności, a tym samym prowadzą do zakłóceń w ruchu skorupy gwiazdy neutronowej. Również istotnym aspektem jest to, jak zjawiska te wpływają na równowagę energetyczną i mechanizmy wybuchów gwiazdowych. Mechanika tych interakcji jest nadal przedmiotem intensywnych badań, szczególnie w kontekście ich wpływu na spójność i zachowanie gwiazd neutronowych.

Wzrost momentu pędu i prędkości kątowej podczas zakłóceń może być efektem przenoszenia energii przez wiry, które podlegają skomplikowanej dynamice. Z tego powodu, badanie tego zjawiska jest kluczowe, aby zrozumieć, jak superpłynność i normalna część gwiazdy neutronowej współdziałają podczas zakłóceń, w jaki sposób to współdziałanie wpływa na ewolucję gwiazdy, oraz w jaki sposób takie zmiany mogą być wykrywane przez obserwacje pulsarów.

Warto również zauważyć, że zjawisko wzrostu prędkości kątowej skorupy gwiazdy neutronowej nie jest wyłącznie wynikiem wewnętrznych procesów fizycznych gwiazdy, ale również może być odpowiedzią na zewnętrzne oddziaływania, takie jak zmiany w polu magnetycznym czy wpływ pobliskich obiektów. Badania nad tymi interakcjami dostarczają cennych informacji na temat struktury i ewolucji gwiazd neutronowych, a także pomagają lepiej zrozumieć zjawiska fizyczne zachodzące w takich ekstremalnych warunkach.

Wszystkie te aspekty wymagają głębokiego zrozumienia podstawowych zasad fizyki kwantowej i teorii turbulencji, aby móc w pełni wyjaśnić mechanizmy leżące u podstaw zjawisk zachodzących w gwiazdach neutronowych. Dopiero połączenie wyników eksperymentalnych i teoretycznych pozwala na opracowanie spójnych modeli, które mogą w przyszłości pozwolić na przewidywanie takich zdarzeń, a także na lepsze zrozumienie procesów zachodzących w najbardziej ekstremalnych warunkach we Wszechświecie.

Jakie znaczenie ma entropia i temperatura splątanych wirów w cieczy nadciekłej?

W poprzednich rozdziałach omówiono geometrię i dynamikę splątanych wirów turbulentnych oraz ich związek z przepływem ciepła i prędkościami barycentrycznymi. Zostało to przedstawione zarówno w kontekście wartości krytycznych, po przekroczeniu których zarówno prędkości barycentryczne, jak i przepływy ciepła stają się źródłem zwirtualizowanych wirów, jak i w sensie, że same splątane wiry stanowią czynnik oporu wobec przepływu masy oraz ciepła. W niniejszym rozdziale podejmiemy inny aspekt splątanych wirów, a mianowicie ich entropię i temperaturę. Choć ten temat nie jest konieczny do pełnego opisu transportu ciepła w nadciekłej cieczy, ma on znaczenie samo w sobie.

Definicja temperatury w kontekście układu zamkniętych linii sugeruje analogię pomiędzy termodynamiką kwantowych linii wirów a termodynamiką pętli kosmicznych strun. Choć nie odnosi się to bezpośrednio do turbulencji, temat ten ma wystarczające znaczenie fizyczne, by zostać krótko przedstawionym, jako przykład, który ilustruje, jak dynamika nadciekłej cieczy może sugerować pewne aspekty problemów kosmologicznych. Analogiczne powiązania między zjawiskami w kosmosie i problemami nadciekłymi były wskazywane już od lat. Przykładem jest hipoteza, według której kosmiczna próżnia kwantowa mogłaby być traktowana jako nadciekła ciecz, w której pętle wirów odgrywałyby rolę analogiczną do roli pętli strun kosmicznych w ich makroskalowych konsekwencjach, w szczególności w kontekście rozwoju tempa rozszerzania wszechświata.

W systemach nierównowagowych różne stopnie swobody mogą mieć różne temperatury z powodu ich powolnej wymiany energii lub z powodu różnego stopnia odbioru energii z zewnętrznych źródeł. Istnieje kilka sposobów definiowania temperatury. W stanie równowagi wszystkie definicje prowadzą do tej samej wartości, natomiast w stanach nierównowagi różne definicje mogą prowadzić do różnych wartości. To nie jest sprzeczność: każda definicja temperatury jest związana z określoną metodą pomiaru, czyli teoretycznym termometrem, a różne termometry mogą prowadzić do różnych wyników, w zależności od tego, na które stopnie swobody są wrażliwe.

Rozważmy trzy podejścia do efektywnej temperatury dla splątanych wirów turbulentnych. Celem jest uświadomienie sobie różnorodności możliwych definicji, z których każda odnosi się do konkretnego fizycznego aspektu splątania, a nie do próby uchwycenia jednej temperatury obejmującej wszystkie aspekty układu. W ramach tych podejść wyróżnia się definicje kaloryczne – związane z zawartością energii – definicje entropowe – odnoszące się do wymiany energii – oraz definicje oparte na fluktuacjach i dysypacji, związane z transportem i fluktuacjami. Różne definicje odnoszą się do różnych rodzajów pomiarów, jednak tylko w stanie równowagi wszystkie te definicje prowadzą do tej samej wartości temperatury.

Z mikroskalowego punktu widzenia energia związana z wirami jest stosunkowo uporządkowana i nie jest traktowana jako energia wewnętrzna, jednak z makroskalowego punktu widzenia, ponieważ splątanie jest obiektem chaotycznym, ta energia jest rozproszona i logicznie można przypisać jej efektywną temperaturę. Taka temperatura będzie zależna od średniej gęstości długości wirów w splątaniu, co z kolei wiąże się z zewnętrznym przepływem ciepła. W przypadku braku przepływu ciepła lub gdy przepływ ten jest mniejszy od krytycznej wartości, wiry znikną, a splątanie nie będzie istnieć, co prowadzi do zniknięcia temperatury związanej ze splątaniem.