тепловой поток

Микроволновая плазма в вихревом потоке — это своего рода высокотемпературный миксер: газ закручивается в реакторе, а микроволновое излучение разогревает его до тысяч градусов, разрывая молекулы углекислого газа (CO₂) на составные части. Учёные построили компьютерную модель такого реактора, чтобы понять, как давление влияет на процесс расщепления.

В солнечной короне — внешней, крайне разреженной и горячей оболочке Солнца — время от времени наблюдается удивительное явление: корональный дождь. Только вместо воды с неба падает плазма — ионизированный газ, состоящий из заряженных частиц.

Ранняя Вселенная напоминает туго сжатую пружину. В первые мгновения она расширялась с невообразимой скоростью — этот этап называют инфляцией.

Водопад, который не нагревается от падения, а замерзает, — примерно так ведёт себя газ, стекающий на нейтронную звезду в рентгеновском пульсаре, когда звезда светит тускло. Обычно падающая материя раскаляется добела, но новая работа показывает обратное.

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.

В первые мгновения жизни Вселенная напоминала бурлящий котёл. При остывании в ней происходили фазовые переходы — примерно как пар превращается в воду, только вместо молекул менялось само состояние пространства. В этом котле рождались пузыри новой фазы, похожие на пузырьки в закипающей кастрюле.

Когда физики прогоняют электроны по сверхчистому каналу арсенида галлия при гелиевых температурах, они рассчитывают увидеть послушную, почти идеальную жидкость. Но с ростом тока сопротивление начинает капризничать: на графиках возникают горбы и провалы, упрямо не укладывающиеся в простую ньютоновскую модель.

В глубоких океанах ледяных лун вода не стоит на месте. Тёплые струи поднимаются от каменистого дна, но вращение планеты закручивает их в длинные наклонные валы, вытянутые вдоль оси вращения. Раньше этот процесс не могли учесть в глобальных моделях — слишком сложно.

Чай в чашке спокойно остывает на столе. Но если пронестись мимо с околосветовой скоростью, термометр покажет больше — хотя чай никто не грел. Расчёты подтверждают: стрелка поползёт вверх. Сто лет назад физики разделились на три лагеря. Одни считали, что движущееся тело остывает, другие — что нагревается, третьи — что температура не меняется вовсе.

Крона огромного дерева шевелится на ветру, но корни и ствол скрыты под землёй. На Солнце роль таких невидимых корней играют магнитные поля. Они выходят из глубин, пронизывают всю атмосферу и управляют движением раскалённого газа — плазмы. Увидеть эту связь напрямую очень трудно, особенно в верхних слоях, где магнитные силы должны доминировать над газовыми.

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.

Сверхпроводимость — это когда электрический ток течет без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Обычно она возникает при очень низких температурах, но есть материалы, где она появляется при более высоких.

Эффект Мпембы — физический парадокс, при котором горячая вода при определённых условиях застывает быстрее, чем холодная. Чтобы понять механизм, учёные построили упрощённую модель: представьте шарик, движущийся в вязкой среде, напоминающей мёд, по ландшафту с двумя потенциальными ямами — «лунками» — и вертикальной стенкой с краю.

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) всё чаще обращает свой взор на экзопланеты — миры, вращающиеся вокруг далёких звёзд. Среди них встречаются раскалённые каменные шары, всегда обращённые к своему светилу одной стороной. На дневной стороне температура столь высока, что горные породы плавятся, образуя океаны жидкой лавы.

Когда серверы в дата-центре работают на полную мощность, они греются, как утюг, оставленный без присмотра. Это тепло уходит в никуда, а на охлаждение тратится ещё больше энергии. Инженеры из Германии предложили пустить это тепло в дело: пусть оно само гонит жидкость по тонким трубкам, без всяких моторов и помп. Их устройство похоже на плоскую коробочку с несимметричным дном.

Лёд ускользает из-под конька, как кусок мыла в мокрых руках. Сто лет учёные спорили, откуда берётся эта скользкость. Одни говорили: сверху уже есть тонкий слой воды — он и служит смазкой. Другие возражали: вода появляется только когда начинаешь двигаться, от трения. В новом исследовании физики соединили оба подхода — и выяснили, кто прав.

Лёд на тёплой сковороде не просто тает — он начинает двигаться. Под ним образуется тонкий слой воды, и кусок скользит, как на масле. Скорость этого скольжения зависит от того, насколько быстро тепло проходит через водяную плёнку и насколько крутой наклон. Учёные поставили опыт: клали лёд и воск на наклонную плоскость с регулируемой температурой.

Зимой озеро затягивается льдом — и этот простой процесс оказывается живой моделью расширяющейся Вселенной. Толщина льда нарастает по тому же математическому закону, что и расстояния между далёкими галактиками. Секрет — в движении воды под ледяной коркой. Вода у поверхности, охлаждаясь, становится плотнее и опускается, а более тёплые слои снизу поднимаются вверх.

Нагретая снизу кастрюля с водой — простой пример турбулентности. Горячая жидкость поднимается, холодная опускается, и поток сам собой разбивается на вращающиеся ячейки, похожие на горизонтальные рулоны. В новой работе физики взяли широкую прямоугольную ёмкость (в десять раз длиннее своей высоты) и проследили, сколько таких рулонов возникает.

Кастрюля на плите получает тепло, но не работу: газ под крышкой просто нагревается. А если плита не обычная, а квантовая? Тогда тепло и работа могут приходить одновременно, как от двигателя, который ещё и греет. В новой работе описан именно такой случай: классическая система — например, маятник или зеркальце — купается в квантовой среде.

Ледники темнеют не только от сажи. На их поверхности живут крошечные водоросли, которые при потеплении разрастаются и делают лёд тёмным. Тёмный лёд поглощает больше солнечного света, тает быстрее и ещё сильнее нагревает планету. Это похоже на то, как чёрная футболка на солнце становится горячее белой. Второй участник перегрева — леса.

Если пустить ток по проводу, провод нагреется. Это знает каждый, кто хоть раз трогал зарядку от телефона. Физики называют такое нагревание джоулевым — в честь Джеймса Джоуля, который в середине XIX века измерил, сколько тепла выделяет электричество. С тех пор формула проста: чем больше сопротивление и сила тока, тем горячее провод.

В раскалённой плазме — газе из заряженных частиц — хаотичные электрические поля работают как своеобразное сито. Медленная частица окружает себя облаком частиц противоположного заряда — поляризационной «шубой», которая экранирует внешнее поле и не даёт ему воздействовать на частицу.

Концепция расширяющейся Вселенной, впервые выдвинутая Жоржем Леметром, получает неожиданную аналогию из привычной нам термодинамики.

Параплан, дельтаплан и планер — три разных крыла, но в небе они ведут себя одинаково. Пилоты ловят невидимые тёплые потоки воздуха, поднимаются на них, а потом скользят к следующему. Такой полёт похож на игру в классики: прыжок вверх, потом скольжение вперёд, и снова поиск места для прыжка. Учёные проанализировали тысячи реальных маршрутов и нашли общий закон.

Тонкая струйка воды течёт по холодной наклонной доске и на глазах превращается в ледяную гряду. Сначала вода прокладывает себе прямую ледяную дорожку — как будто сама укрепляет берега. Потом ручеёк начинает вилять, лёд быстро расползается в стороны. Наконец, гряда перестаёт расти вширь и начинает толстеть, сглаживая неровности. Лёд растёт там, где вода задерживается дольше.

Вода в стакане остывает, лёд тает, а чайник нагревает плиту — так устроен мир: тепло всегда бежит от горячего к холодному. Это второе начало термодинамики, закон, который не нарушался ещё никогда. Но квантовый мир умеет удивлять: теперь физики заставили тепло течь в обратную сторону, не трогая сам закон, а используя хитрые свойства частиц.

Горячие юпитеры — экзопланеты-гиганты, прижавшиеся к своим звёздам, — загадочно раздуты. Их радиусы часто на 50–100% больше, чем предсказывают стандартные модели формирования.

Вода всегда течёт вниз, а тепло — от горячего к холодному. Так велит энтропия — мера неупорядоченности, стремящаяся к росту. Но квантовый мир находит лазейки. Физики заставили частицы света — фотоны — взаимодействовать с горячей и холодной средой в неопределённой последовательности. Представьте подброшенную монету, которая ещё не упала: она одновременно и орёл, и решка.

Термометр на кухне не ползёт вверх постепенно, когда включают плиту: сначала он долго стоит на месте, потом вдруг прыгает на несколько градусов. Примерно так же, по расчётам исследователей, вела себя глобальная температура с 1950 по 2013 год. Сначала из данных HadCRUT4 вычли линейное влияние Эль-Ниньо, чтобы убрать естественную «рябь» океана.