каскад энергии

Пузырёк водорода на платиновом электроде ведёт себя как пловец, который пытается всплыть, но каждый раз, когда он почти отрывается, снизу его хватают за ноги. В лаборатории такое поведение сняли высокоскоростной камерой: миллиметровый пузырь висит у поверхности, хотя сила Архимеда тянет его вверх в тысячи раз сильнее, чем может удержать поверхностное натяжение.

Оркестр начинает играть, но у каждого музыканта свой темп. Если все играют примерно одинаково быстро, музыка льётся непрерывным потоком. А если одна группа инструментов играет заметно медленнее остальных, звук собирается в плотный ком, который медленно движется вперёд.

Шарик скатывается по жёлобу. Какой формы должен быть жёлоб, чтобы спуск занял меньше всего времени? Три века назад ответом была циклоида — кривая, похожая на дугу перевёрнутого моста, — знаменитая брахистохрона, кривая наискорейшего спуска. Но стоит погрузить жёлоб в густую жидкость, и всё меняется: вязкое трение тормозит шарик, и самый быстрый путь становится другим.

Представьте хор, где каждый певец безупречно держит строй. Громкость такого ансамбля растёт нелинейно: сто голосов звучат не в сто, а в десять тысяч раз громче одного. Это следствие конструктивной интерференции звуковых волн. В микромире подобное явление известно как коллективное излучение — его предсказал физик Роберт Дике.

295 000 метров в секунду. С такой скоростью не мчатся даже частицы в корональных выбросах Солнца. Но в центре скопления галактик H1821+643 горячий газ движется именно так. Квазар в его сердце делает выдох — и его дыхание взбаламучивает всё вокруг на расстоянии в 60 тысяч световых лет.

Океанское течение шириной в сотни километров живёт своей жизнью, подпитываясь энергией от крошечных водоворотов. В атмосфере происходит нечто похожее: мелкие завихрения отдают свою мощь огромным воздушным потокам. Этот процесс — обратный каскад энергии — известен давно. Но до сих пор его изучали, считая воздух абсолютно сухим, как будто в нём никогда не бывает облаков.

Камень падает в пруд — и круги расходятся одинаково во все стороны. Но бывают среды, где волна словно знает, куда ей повернуть: как вода, закручивающаяся только по часовой стрелке. Такую асимметрию создают нечётная вязкость и нечётная упругость — свойства сред с нарушенной зеркальной симметрией.

Обычная вода замерзает предсказуемо: чем она холоднее, тем быстрее превращается в лёд. Однако иногда горячая вода застывает стремительнее холодной — это парадокс, известный как эффект Мпембы.

Хлопок в ладоши сжимает воздух, и он разлетается в стороны — простейший удар. В космосе роль ладоней играют взрывающиеся звёзды: их ударные волны резко сжимают газ и запускают хаотическое перемешивание — турбулентность. Но как именно энергия взрыва переходит в вихри разных размеров, долго оставалось загадкой, ведь разглядеть детали в далёких туманностях очень трудно.

Удар молнии раскалывает небо за доли секунды, оставляя ветвистый след. В то же мгновение в крошечном сверхпроводящем кристалле, охлаждённом почти до абсолютного нуля, проносится лавина магнитного поля — тонкие пальцы намагниченности пронзают материал. Кажется, между грозовым разрядом длиной в километры и событием в тысячную долю миллиметра нет ничего общего.

Загадка тёмной энергии — это пропасть. Квантовая теория поля предсказывает плотность в 10¹²⁰ раз больше наблюдаемой. В струнном ландшафте эта бездна обретает очертания — мириады вакуумов с разной энергией, и мы угнездились в одном из них.

В кастрюле с кипящим супом бурлящие потоки выносят тепло к стенкам, и суп остывает. В токамаке — огромной магнитной бутылке для плазмы — происходит то же самое: вихри турбулентности уносят энергию наружу, мешая зажечь термоядерную реакцию. Но иногда плазма словно сама находит способ успокоиться.

Кастрюлю с водой только что перестали мешать: воронки и водовороты постепенно успокаиваются, жидкость становится гладкой. Похожий процесс, но в квантовом мире, происходит в сверхтекучем гелии или в облаке ультрахолодных атомов. Только вместо водяных воронок там — невидимые вихревые нити, тончайшие квантовые «смерчи», пронизывающие вещество.

Вода бурлит за камнем в реке, воздух завихряется за крылом самолёта — кажется, что движение совершенно беспорядочное. Но авторы работы нашли в этом хаосе жёсткий кухонный рецепт. Они разложили вращение жидкости (момент импульса) на две независимые части.

В сердце скопления галактик Змееносца плавает пузырь горячей плазмы размером с несколько галактик. Он поднимается, как гигантский воздушный шар в атмосфере, и за ним тянется след — область, где газ приходит в движение. Учёные направили на этот след японский рентгеновский телескоп XRISM, чтобы измерить, как именно движется газ.

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.

Молодые планетные системы похожи на оркестр, который только что начал репетицию: все музыканты стараются играть в одном ритме. Астрономы, наблюдая за ними через телескоп TESS, заметили, что планеты у молодых звёзд часто движутся синхронно — их орбиты выстроены так, что на каждые два оборота одной планеты приходится ровно один оборот другой.

В гелии, охлаждённом почти до абсолютного нуля, жидкость перестаёт тереться сама о себя и начинает течь без малейшего сопротивления. Физики запустили в такой сверхтекучий гелий крошечные полимерные шарики — от одного до шести микрометров, как бактерии, — и следили за их падением сквозь лазерную подсветку. Шарики светились, и их пути записывала камера.

Под ледяной корой Энцелада, спутника Сатурна, скрывается океан, функционирующий подобно идеальной тепловой помпе — системе, которая переносит тепловую энергию от экватора к полюсам, затрачивая на это в тысячу раз меньше энергии, чем перемещает.

Ветер в аэродинамической трубе разгоняется до огромных скоростей и срывается в хаос вихрей. Чтобы разглядеть, как этот хаос умирает на самых мелких масштабах, учёные взяли датчик тоньше человеческого волоса и поднесли его к потоку. Внутри трубы создавали слой сдвига — место, где быстрый воздух трётся о медленный, рождая завихрения.

Над поверхностью Солнца висят длинные ленты светящегося газа — стримеры. Они похожи на гигантские арфы, натянутые в короне. Когда по такой ленте пробегает волна, она дрожит и изгибается, как струна после щипка. Долгое время считалось, что такую волну может запустить только очень быстрый выброс вещества — тот, что летит со скоростью более 500 километров в секунду.

Горячая плазма в токамаке похожа на капризного зверя: её нужно удержать, но при этом не дать перегреться. В реакторе ASDEX Upgrade нашли режим, где вихри плазмы сами решают эту задачу. Численное моделирование показало, что колебания на границе плазмы выбрасывают наружу сгустки — как пузыри из кипящей кастрюли.

Спокойная река вдруг начинает бурлить на ровном месте — так выглядит загадка, которую разбирали авторы новой работы. Они взяли тонкий слой заряженного газа с очень слабым магнитным полем и проследили на компьютере, что с ним будет. Сначала всё течёт ровно, как вода из крана. Потом в одном месте слой истончается, и магнитные линии, которые раньше лежали параллельно, начинают рваться и пересоединяться.

Десятое октября 2024 года. Солнце выбросило в сторону Земли облако намагниченной плазмы — и четыре космических аппарата, стоящих в одной точке между Солнцем и Землёй, одновременно записали, как это облако бурлит. Расстояние между крайними зондами — всего 80 радиусов Земли, около полумиллиона километров. По космическим меркам это как четыре буйка в одном порту.

Жидкий гелий, охлаждённый почти до абсолютного нуля, ведёт себя как две жидкости сразу: обычная вязкая часть и сверхтекучая, которая течёт без трения. Когда такой поток наталкивается на цилиндр, позади него рождаются вихри. Но иногда вихри появляются и перед цилиндром — там, где по классическим законам их быть не должно.

Толпа людей на станции метро движется медленнее, чем одиночки: каждый мешает соседу. Похожая картина — в плотном облаке магнитных атомов, которые передают друг другу энергию. Раньше думали, что скорость передачи зависит только от свойств самих атомов.

Летящий на шести скоростях звука тупой цилиндр — не самый изящный объект, но именно он стал главным героем нового расчёта. Поверхность такого аппарата не бывает идеально гладкой: при входе в атмосферу теплозащита обгорает, появляются бугорки и впадины.

Тонкая пластина стоит поперёк потока воды или воздуха. За ней рождается след — зона, где течение путается и перемешивается. Обычно такой след становится турбулентным, когда скорость потока достаточно велика, и мерой этого служит число Рейнольдса. Для круглых и квадратных препятствий турбулентность в следе появляется при числах Рейнольдса порядка нескольких тысяч.

В стакане с водой ультразвук рождает крошечные пузырьки. Они то растут, то сжимаются, а иногда резко схлопываются, как лопающийся мыльный пузырь, только в тысячи раз быстрее. Рядом с такими пузырьками плавают мелкие частицы — например, шарики никеля размером с пылинку. Пузырёк при каждом движении толкает их, как пловец, который бьёт по воде и разгоняет вокруг себя волны.

Звук в тонкой пластине ведёт себя как рябь на воде: бежит, отражается от краёв, меняет форму. Но у звука есть одна странность — он умеет проходить сквозь места, где волне запрещено существовать. Это похоже на то, как если бы рябь на пруду вдруг исчезла перед каменной перегородкой и появилась с другой стороны, не огибая её. Учёные взяли пластину переменной толщины — плавно сужающуюся, как клин.

Вода закручивается в кольцо, и это кольцо летит сквозь толщу, не распадаясь. Такие вихревые кольца — от дыма до подводных течений — живут по законам, которые трудно уловить на бумаге. Обычно поток дробят на миллионы ячеек-кубиков и следят за каждой.

Вода в луже после дождя кружится не так, как в глубоком озере. Тонкий слой жидкости чувствует дно, и это меняет характер вихрей. Учёные создали такой слой в лаборатории: налили электролит, пропустили ток и магнитное поле, и жидкость пришла в движение. Затем с помощью камер и мелких частиц они отследили движение вплоть до самых маленьких вихрей, размером с долю миллиметра.

В сверхтекучем гелии — состоянии, где жидкость течёт без трения, — самопроизвольно возникают квантованные вихри: микроскопические воронки, напоминающие водовороты в обычной воде, но подчиняющиеся законам квантовой механики.

Пять сверхпроводящих кубитов на чипе — сцена, на которой разыгрывается спектакль квантового хаоса. Четыре кубита образуют систему, пятый — окружение, которое вносит диссипацию. После короткой эволюции окружение отбрасывают, и система остаётся с открытой квантовой картой — оператором, преобразующим состояние системы.