Ультразвук в жидкости — это как быстрое встряхивание бутылки с газировкой: встряхнули — появились пузырьки. Только в науке это называют кавитацией, и пузырьки там не просто плавают, а рождаются, растут и лопаются с огромной силой.
На суперкомпьютере Fugaku в Японии смоделировали целый океан из ста миллиардов атомов — это как если бы каждая капля воды в небольшом пруду была отдельным атомом. На этот «океан» направили ультразвук и стали смотреть, что происходит возле источника звука. Раньше такие симуляции делали максимум с сотнями миллионов атомов — этого хватало, чтобы увидеть один пузырёк, но не целую толпу.
Оказалось, что пузырьки собираются в большие скопления возле излучателя звука — как пена возле крана с водой. Эти скопления периодически распадаются на мелкие группы, а потом снова сливаются. И весь этот цикл повторяется в такт колебаниям источника звука.
Ещё учёные заметили, что колебания пузырьков идут медленнее, чем сам звук, — это называют субгармониками. Такое поведение раньше видели в экспериментах, но не могли объяснить на молекулярном уровне. Теперь стало понятно, что это связано с тем, как пузырьки собираются и распадаются.
Интересно, что сами пузырьки почти не мешают звуку проходить через жидкость. То есть кавитация возле источника не сильно влияет на акустику в целом. Это важно для практики: например, в ультразвуковой чистке или в медицинских приборах, где пузырьки используют для разрушения камней в почках или доставки лекарств.
Сто миллиардов атомов — это как сто миллиардов крошечных шариков, которые двигаются по законам физики. И теперь мы можем увидеть, как из этих шариков рождается пена, которая чистит, лечит и разрушает.
Кавитационные пузырьки при схлопывании могут нагреваться до нескольких тысяч градусов — как поверхность Солнца, но на крошечный миг.
В романе «Солярис» Станислава Лема океан-мыслящая субстанция ведёт себя непредсказуемо — примерно так же, как миллиарды атомов в симуляции, которые вдруг начинают собираться в пузырьки.