теплоперенос

Качели, которые раскачиваются на горке с зубцами, ведут себя странно: без толчков они застревают в первой же впадине, а от ритмичных ударов могут поехать вверх, вниз или замереть. Именно такую картину увидели физики, когда посадили одну пылинку в ловушку с пилообразным дном и начали поочерёдно толкать её лазерными лучами. Пылинка размером 13 микрометров при лёгких толчках разгонялась до 0,95 мм/с.

В кольцевом канале между двумя зубчатыми кольцами висят микросферы: одни радиусом 8 микрометров, другие 14. Включается разряд, и частицы приходят в движение. Мелкие едут в одну сторону, крупные в другую. Словно в торговом центре, где для людей разного роста работают эскалаторы, движущиеся навстречу друг другу.

Пылесос втягивает пыль, даже если её больше у сопла. Так и в токамаке: частицы плазмы стягиваются к центру, хотя у края их плотность выше. Это явление называют пинчем частиц, и оно противоречит обычному правилу, что всё стремится из густого места в разреженное.

В холодном облаке TMC-1, где температура не поднимается выше десяти градусов выше абсолютного нуля, молекулы почти не встречаются друг с другом. Но время от времени сквозь них пролетает атом гелия, и этого короткого касания достаточно, чтобы молекула изменила своё вращение. Именно такие столкновения определяют, какое излучение мы увидим с Земли.

Внутри солнечной вспышки магнитные линии рвутся, как натянутые резиновые жгуты, и перехлёстываются заново — за минуты высвобождая энергию, которой хватило бы человечеству на миллионы лет. В лаборатории этот процесс, магнитное пересоединение, долго умели лишь запускать, но не останавливать. Теперь у физиков появился рубильник.

Луч лазера проходит через стеклянную кювету с парами цезия. Атомы в паре носятся хаотично, как толпа на вокзале: каждый влетает в луч, проводит там мгновение и вылетает обратно. Их внутреннее состояние — ориентация магнитного момента, подобного крошечному магнитику, — меняется под действием света. Если бы все атомы были одинаковыми и неподвижными, сигнал был бы ровным.

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 кастрюле с кипящим супом лёгкие крупинки жира всплывают наверх, а тяжёлые кусочки овощей оседают на дно. Аналогичная картина — гравитационное расслоение — наблюдается в разреженном горячем газе вокруг Солнца и других звёзд, но вместо бульона там смесь заряженных частиц: электронов, протонов и альфа-частиц (ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов).

Солнечный ветер — это непрерывный поток заряженных частиц, истекающий с поверхности Солнца и заполняющий всю гелиосферу. Это не однородный бриз, а турбулентная среда с вихрями, порывами и зонами затишья.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная напоминала кипящий котёл — сверхплотную, горячую плазму элементарных частиц. Согласно одной из гипотез, именно в этой среде могла родиться тёмная материя — невидимое вещество, которое своим гравитационным притяжением удерживает галактики от развала.

В центре умирающей звезды, когда её ядро сжимается в нейтронный шар, рождается невидимый шторм. Триллионы нейтрино — частиц-призраков, почти не взаимодействующих с веществом, — мечутся в раскалённой плазме. Их так много, что они начинают влиять друг на друга, меняя свои «вкусы» (ароматы: электронное, мюонное, тау-нейтрино) словно хамелеоны.

Горячий чай остывает, а мороженое тает — тепло всегда переходит от тёплого к холодному, и этот закон казался нерушимым. Но в квантовом мире даже привычные правила можно переписать. Физики поместили крошечный механический резонатор (вибрирующую перемычку размером с микроб) в оптическую полость между двумя зеркалами.

Внутри каждой клетки кипит своя логистика: крошечные белковые моторы, словно курьеры, таскают грузы по сети микротрубочек. Один из главных работяг — кинезин, шагающий с помощью энергии АТФ (главной энергетической валюты клетки). Долгое время его пытались оценить, как автомобиль: сколько топлива потратил, как быстро доехал.

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.

Колония клеток напоминает отряд, прокладывающий путь по неизвестной местности. В живой ткани эту роль часто выполняет хемотаксис — движение по градиенту химического вещества, которое клетки сами же и выделяют. Раньше модели описывали однородные группы, но в реальности взаимодействуют разные типы клеток.

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.

Экзопланета WASP-121 b — газовый гигант, раскалённый до 2500°C — находится в приливном захвате: подобно глобусу, застывшему под лампой, она всегда обращена к своей звезде одной стороной.

В кастрюле кипит вода: пузыри бурлят, тепло быстро уходит в воздух. В центре термоядерного реактора ARC плазма ведёт себя похоже — только вместо пузырей там турбулентные вихри, а вместо воздуха — магнитное поле, которое должно удерживать жар. Вихри мешают: они переносят тепло наружу и охлаждают плазму. Но внутри плазмы рождаются быстрые альфа-частицы (ядра гелия, вылетающие из реакции синтеза).

Две гитарные струны натянуты на одном грифе. Они почти одинаковы, но одна чуть короче — и звучат по-разному. Примерно так устроены два изомера этанимина: молекулы с одинаковым набором атомов, но по-разному повёрнутые в пространстве. Астрономы заметили эту молекулу в густых облаках у центра нашей Галактики.

Космос полон невидимых спринтеров — частиц, мчащихся почти со скоростью света. Их ловят в солнечном ветре, у нейтронных звёзд и даже в межгалактической пустоте между галактиками. Но что разгоняет их там, где нет ни ударных волн, ни магнитных пересоединений?

Мощный фен, который дует не тёплым воздухом, а раскалённой добела плазмой, — такие установки называют плазменными аэродинамическими трубами. Они нужны, чтобы на Земле проверить, как космический корабль войдёт в атмосферу. Внутри трубы газ разогревается до тысяч градусов, и часть энергии уходит не с потоком газа и не в стенки, а просто улетает в виде света — как от лампочки.

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.

Крошечная чёрная дыра пролетает сквозь облако газа. Она не поглощает его, а наоборот — греет, как утюг, оставленный на мокрой ткани. От неё исходит излучение, и вокруг возникает горячее пятно — область, где температура в сотни раз выше, чем в окружающем космосе.

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.

Химическая реакция подобна проходу через турникет: толпа создаёт энтропийный хаос и застревает, тогда как упорядоченная очередь движется свободно. В квантовом мире, однако, когда этот хаос стихает, энергетический барьер может стать «призрачным» — частица проникает сквозь него, словно турникет исчезает.

Город, где улицы не прямые, а извилистые, с тупиками и скрытыми проходами. Курьер на велосипеде потратит гораздо больше времени, чтобы доставить посылку, чем в городе с ровной сеткой дорог. Так и молекулы внутри живой ткани: их путь зависит от того, насколько «запутана» структура ткани. Учёные построили модель, которая описывает движение молекул в такой «запутанной» среде.

Раскалённый кусок металла в печи — как сковорода на плите: чем сильнее жар, тем быстрее тепло уходит в руку, если дотронуться. Но при температурах, где металл уже близок к плавлению, измерить эту скорость очень трудно: датчики плохо прилегают, тепло утекает в воздух, а сам образец светится и путает приборы. Новый метод обходит эти препятствия.

Межзвёздное пространство не пустое: оно заполнено разреженным газом, который местами тёплый, местами холодный. Границы между такими областями напоминают стенки между мыльными пузырями. Когда сверхэнергичная частица — космический луч — налетает на такую стенку, магнитное поле там резко меняется, и частица отскакивает, как мячик от бортика.

Магнитная ловушка в форме бублика удерживает плазму из бора и водорода. Внутри неё температура поднимается выше ста миллионов градусов — жарче, чем в центре Солнца. При такой жаре ядра сталкиваются и сливаются, выделяя энергию.

Вода в чайнике закипает — и по кухне расходятся волны пара. В космосе похожий процесс идёт в плазме — газе, разогретом так сильно, что электроны отрываются от атомов. Вокруг чёрных дыр и нейтронных звёзд эта плазма не просто горячая: частицы в ней носятся почти со скоростью света.

Тепловой поток сквозь твёрдое тело можно представить как воду, текущую по системе труб: в одних материалах он мчится стремительно, в других — едва сочится. Инженеры охотятся за веществами, которые почти не пропускают тепло, — своего рода «забитые трубы» на атомном уровне.

В кристалле-изоляторе тепло обычно распространяется от горячего конца к холодному. Но если включить магнитное поле, часть теплового потока заворачивает в сторону — как вода, которая, стекая с горки, слегка уходит вбок, когда её подталкивает ветер. Такое поведение называют тепловым эффектом Холла.

Космическая плазма — не спокойный газ, а кипящий суп из заряженных частиц, пронизанный магнитными полями. Эти поля ведут себя как натянутые резинки: иногда они рвутся и тут же снова соединяются, но уже по-другому. Этот процесс, который называют магнитным пересоединением, высвобождает огромную энергию.

Если толкать тепло через кусок кварца, оно обычно идёт прямо, как вода по трубе. Но стоит включить магнитное поле, и поток слегка сворачивает вбок — будто труба вдруг дала боковое ответвление. Такой эффект называют тепловым эффектом Холла, и до сих пор не было ясно, что именно заставляет тепло отклоняться: беспорядок в кристалле или что-то более фундаментальное.

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.

Молодая звезда HL Tau окружена диском из газа и пыли — колыбелью будущих планет. Внутри этого диска газ не стоит на месте: он движется по кругу, но при этом дрожит и перемешивается, как вода в бурной реке. Астрономы впервые напрямую измерили силу этого перемешивания.

Свет и атомы, как танцоры, могут двигаться в унисон или вразнобой. Когда их взаимодействие анизотропно — то есть зависит от направления, — танец усложняется. В новой работе физики рассмотрели модель, где множество атомов (кубитов) коллективно взаимодействуют с анизотропным полем света, и каждый компонент подключен к тепловому резервуару.

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.

Капля жидкого металла скользит по узкому каналу, как ртуть из разбитого градусника. Ей не нужен мотор — топливом служит химическая реакция с окружающей жидкостью. Но что происходит, когда капля упирается в стенку? Раньше такие машины изучали в открытом пространстве, а в тесных каналах они ведут себя иначе.

Мощный лазер бьёт по крошечной мишени — и та мгновенно превращается в облако раскалённого газа, плазмы. В этом облаке сами собой рождаются магнитные поля. Они, как невидимые руки, мешают теплу свободно уходить из горячего центра.