В сверхтекучем гелии вихрь похож на смерч в бутылке, но вместо воды — квантовая жидкость, которая течёт без трения. Такой вихрь не рассеивается сам по себе, поэтому вопрос, куда девается его энергия, долго оставался открытым. Теперь физики впервые увидели ответ: вихрь испускает квант звука — ротон.
В эксперименте одиночный вихрь зацепили за наноструну — крошечный камертон, колеблющийся в жидком гелии при температуре 10 милликельвинов (это в 30 раз холоднее, чем в открытом космосе). Когда вихрь разгоняли, на определённой скорости он начинал терять энергию. Измеренная потеря за цикл точно совпала с энергией, нужной для рождения ротона. Значит, вихрь не просто замедляется, а испускает частицу звука.
Это открытие закрывает давнюю загадку: как турбулентность затухает в жидкости без вязкости. В сверхтекучем гелии нет трения, поэтому классический механизм (превращение энергии в тепло) не работает. Вместо этого энергия уходит на рождение ротонов — и теперь это подтверждено прямым измерением.
Такой механизм может работать и в других квантовых жидкостях, например, в нейтронных звёздах, где вещество находится в сверхтекучем состоянии. Понимание того, как вихри теряют энергию, помогает моделировать вращение этих звёзд и предсказывать их поведение.
Ротон — это квант звука, у которого есть «минимальная цена»: чтобы его создать, нужно затратить энергию, как будто звук не может быть тише определённого уровня.
В романе Ларри Нивена «Интегральные деревья» сверхтекучие вихри в нейтронных звёздах управляют погодой — теперь мы знаем, что они действительно могут терять энергию через ротоны.