流体在光速下变稠：新理论将爱因斯坦相对论扩展到真实流体

Josiah02 · 发表于 2024-11-8 15:35:44

狭义相对论充满了违反直觉和令人惊讶的效应，其中最著名的是长度收缩和时间膨胀。如果一个物体以相对速度行进，相对于观察者而言，该速度是光速不可忽略的一部分，那么在观察者看来，物体在行进方向上的长度将比在物体静止参考系中实际的长度短。
具体来说，它会显得更短，其倍数等于 1 除以洛伦兹因子。后者仅取决于物体与观察者之间的相对速度以及光速，并且只能大于或等于 1，因此产生“长度收缩”效应。
虽然长度收缩和时间膨胀是已得到充分证实的相对论效应，早在爱因斯坦 1905 年发表狭义相对论论文之前就已为人所知，但人们可能想知道，是否可以通过狭义相对论预测与其他基本物理性质有关的其他相对论效应。
例如，尽管在相对论流体动力学领域进行了深入研究，但迄今为止仍未找到能够恢复经典气体极限的流体粘度相对论理论。这表明现有的粘度相对论理论可能并不完善。
在《物理评论 E》上发表的一篇新文章中，我基于最近提出的相对论朗之万方程（源自相对论微观粒子浴拉格朗日量），结合流动条件下粒子级位移的微观非仿射理论，推导出流体粘度的一般微观理论。该框架描述了在施加的流场下，粒子（原子或离子）由于与其他粒子相互作用和碰撞而产生的微观运动。
虽然粒子有跟随流场的趋势，但它们也会因与其他粒子的相互作用而偏离流场。这些“偏差”被称为“非亲和”运动，极大地导致了流体运动中动量的耗散。
在狭义相对论中，与物体相对于观察者的相对运动有关的“动量”是“本征动量”，它是粒子的普通动量乘以洛伦兹因子（同样，后者是一个始终大于 1 的数，对于以光速或接近光速运动的物体来说，后者是一个非常大的数）。
我推导的新理论表明，流体的粘度与以接近光速运动的流体固有动量损失成正比，因此与以普通速度运动的相同流体的普通粘度乘以洛伦兹因子成正比。
当我检查我的微观相对论理论是否能够在非相对论低速极限下恢复经典气体的粘度时，我感到非常惊讶，这可以从动力学理论和许多空气动力学实验中得知。事实上，我发现新公式可以恢复粘度对温度、粒子质量和大小以及玻尔兹曼常数的正确依赖关系，这些是经典气体（例如，飞机机翼附近流动的空气）已知的。
在高能流体以极高速度运动的相反极限（例如，夸克胶子等离子体或经典相对论等离子体）中，该理论预测了对温度的立方依赖性，与证据一致，并产生了一条新的物理基本定律，该定律汇集了自然界中最重要的基本常数。
有趣的是，我意识到新理论可能会揭示爱因斯坦相对论中一个迄今被忽视的效应。例如，与长度收缩和时间膨胀类似，我们可以将“流体增稠”视为一种迄今为止被忽视的新相对论效应，它可能对我们理解天体物理学和高能物理学中的相对论等离子体（包括从高能核碰撞反应中获得的夸克胶子等离子体）产生重要影响。
本报道是Science X Dialog的一部分，研究人员可以在此报告其已发表研究论文的发现。

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