мера вращения

По узкой дороге навстречу друг другу идут два каравана. Один — широкий и медленный, везёт груз плотности. Другой — вереница лёгких повозок с током, проскальзывает между первыми. Так в разряде магнетрона сосуществуют две структуры, вращающиеся в противоположные стороны: спица плотности и нити тока.

Радиоволны от далёкого пульсара проходят сквозь межзвёздную среду, и на их пути встречаются невидимые магнитные структуры размером с расстояние от Солнца до Земли. Одна из таких структур — токовый слой, где магнитное поле резко меняет направление, как стрелка компаса, перескочившая с севера на юг.

Представьте себе струну, натянутую между двумя колками. Малейшее прикосновение заставляет её дрожать, и по высоте звука можно угадать, как именно её тронули. Похожую струну физики из Аризонского университета натянули не в музыкальном инструменте, а на кремниевой мембране толщиной в сотню нанометров. Только вместо звука они слушают свет, отражённый от крошечной решётки, нанесённой на эту мембрану.

Лазерный луч можно представить как стремительный вихрь, который на мгновение захватывает пролетающий электрон. Пока частица движется сквозь импульс, её спин — собственное вращение, подобное вращению крошечного волчка, — испытывает слабый толчок. После выхода из луча волчок уже не смотрит в прежнюю сторону: он чуть-чуть довернулся.

Быстрые радиовсплески — миллисекундные радиоимпульсы, приходящие из далёких галактик, — долго оставались загадкой. Их колоссальная энергия, сжатая в мгновения, говорила о катаклизмах на нейтронных звёздах, возможно, пульсарах или магнетарах.

В центре многих галактик прячется сверхмассивная чёрная дыра, выбрасывающая релятивистские струи плазмы на сотни килопарсек. Одна из таких — радиогалактика ESO 137-G007 в скоплении Наугольника, известная как «Галактика-штопор» за свои закрученные джеты.

Волчок, который крутится так быстро, что заставляет свет вокруг себя заворачиваться в спирали, — удачный образ того, что происходит у горизонта черной дыры. Раскаленная плазма падает в нее и испускает радиоволны. Их поляризация (то, в какой плоскости колеблется волна) становится стрелкой, указывающей направление потока энергии.

Красные гиганты — это раздувшиеся стареющие звёзды, исчерпавшие водород в ядре. В их недрах бурлит океан плазмы: тепло пробивается от ядра к поверхности, рождая волны, похожие на могучий прибой. Магнитное поле внутри звезды работает как невидимый подводный рельеф — оно направляет эти волны, меняет их высоту и скорость.

Ещё Джоселин Белл Бернелл, впервые зарегистрировавшая строгую периодичность радиосигналов, заметила, что некоторые импульсы внезапно пропадают. Сегодня мы знаем: переменность — не каприз, а голос сложнейшей электродинамики.

Когда две чёрные дыры сливаются, они встряхивают саму ткань пространства-времени. Новорождённый гигант не успокаивается мгновенно — он звенит, словно космический колокол, испуская характерный рисунок затухающих гравитационных волн — так называемый рингдаун.

Четыре крошечные лужицы, и в них плещутся капли сверхтекучей жидкости. Эти капли — атомы, охлаждённые почти до абсолютного нуля и связанные в пары, как маленькие магнитики. Когда вся конструкция поворачивается, жидкость перетекает между лужицами. Достаточно просто посчитать, сколько капель оказалось в каждой, — и угол со скоростью поворота становятся известны.

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.

Радиоволны от гамма-всплеска — катаклизмической гибели массивной звезды, чья вспышка на мгновение затмевает целую галактику, — достигают Земли поляризованными. Это значит, что их электрическое поле колеблется преимущественно в одной плоскости, подобно стрелке компаса, застывшей в магнитном поле.

Далёкий маяк вспыхивает на мгновение ярче целой галактики. Это быстрый радиовсплеск — загадочный сигнал, приходящий из глубин космоса. Некоторые из них повторяются, и астрономы заметили странность: у таких всплесков быстро меняется поляризация — характеристика, показывающая, как радиоволна закручена в пространстве.

Свет, как верёвка, которую встряхнули, колеблется в определённой плоскости. Астрономы и инженеры часто поворачивают картинку с помощью системы из трёх зеркал — так называемого K-зеркала, — но при этом плоскость колебаний света невольно поворачивается тоже. Для точных измерений это беда.

Фигурист кружится по льду, постепенно приближаясь к центру. Его траектория — не идеальная спираль: иногда он попадает в ритм музыки и делает дополнительный оборот, слегка меняя скорость. Примерно так же ведёт себя маленькая чёрная дыра, когда падает на сверхмассивную.

В глубине космоса быстро вращающаяся нейтронная звезда, пульсар по прозвищу Маяк, мчится сквозь разреженный газ. Словно катер, рассекающий воду, он оставляет за собой светящийся след из заряженных частиц. Этот след виден в рентгеновских лучах как яркий хвост и тонкая нить, растянувшаяся на многие световые годы.

Свет от тонких слоёв полупроводников бывает поляризованным — его волны колеблются в одной плоскости. Раньше думали, что направление колебаний задаёт освещение образца. Но новые опыты с двумя слоями разных материалов (WSe2 и WS2) показали иное: при охлаждении до криогенных температур поляризация света почти не меняется, как бы мы ни светили.

Маленький шарик с железной начинкой лежит на поверхности, а вокруг него крутится магнитное поле. Шарик начинает катиться, как колесо, и обычно едет туда, куда вращается поле. Но иногда он вдруг разворачивается и катится в обратную сторону — против поля.

Стопка бумаги: если листы лежат ровно один на другом, свет сквозь них проходит одинаково. Но стоит повернуть один лист на несколько градусов, и картина меняется. Примерно так же ведут себя слои в некоторых материалах: повернёшь их друг относительно друга — и свойства меняются, иногда радикально. Спектроскопия тут ни при чём — точнее, это не тот метод.

Луч света можно заставить выглядеть как цветок с несколькими лепестками. Если такой луч пропустить сквозь облако холодных атомов рубидия и включить магнитное поле, лепестки начнут поворачиваться. Угол поворота напрямую связан с силой поля.

Радиопульсар J1574+4703 — это звезда, которая ведёт себя как капризный маяк. Вместо того чтобы светить постоянно, она включает свой радиолуч короткими вспышками, а потом надолго замолкает. Такие объекты называют «вращающимися радиотранзиентами» — сокращённо RRAT.

Луч фонарика в тумане распадается на тысячи слабых пятнышек. Каждое из них — это свет, который много раз отразился от капель воды и лишь потом попал в глаз. Чтобы разобраться в этом беспорядке, физики составляют особую таблицу — матрицу рассеяния. В ней записано, как каждый входящий луч превращается в набор выходящих. Авторы новой работы взяли не туман, а одиночный стеклянный шарик — самый простой рассеиватель.

В экспериментах по рассеянию частиц мишень часто поляризуют: ядра выстраивают так, чтобы их спины смотрели преимущественно в одну сторону. От степени этой выстроенности зависит результат столкновений. Чтобы её измерить, через мишень пропускают слабый радиосигнал и следят, как ядра его поглощают.

Магнитное поле невидимо, но его можно услышать. Атомы рубидия внутри стеклянной ячейки реагируют на него, как струны на смычок: радиоволны заставляют их колебаться между энергетическими состояниями. Частота этих колебаний зависит от силы поля, а амплитуда — от его направления. Спектроскопия превращает эти колебания в измеримый сигнал.

В лабораториях, где атомы охлаждают почти до абсолютного нуля, даже крошечное изменение магнитного поля сбивает все настройки. Обычные датчики — пластинки Холла или катушки с ферритовым сердечником — стоят в нескольких сантиметрах от вакуумной камеры, потому что сами создают помехи. Но расстояние означает, что они не чувствуют поле именно там, где находятся атомы.

Свет — это поток фотонов, и обычно у фотона нет магнитного момента: он не отклоняется магнитом, как железные опилки. Но в очень сильном магнитном поле, сравнимом с критическим полем Швингера (около 4.4×$$10^{13}$$ Гаусс — в миллиарды раз сильнее, чем у магнита на холодильнике), у фотона появляется аномальный магнитный…

Нейтронная звезда размером с город крутится быстрее кухонного блендера и швыряет вокруг себя частицы. Вокруг неё возникает светящееся облако — его называют пульсарным гало. Форма этого облака зависит от невидимых магнитных полей, которые, как течения в океане, направляют частицы.

Садовый шланг бьёт мощной струёй воды. Если его слегка пережать или дёрнуть, струя начинает извиваться, как змея, и брызги летят в стороны. Похожее происходит с гигантскими струями плазмы, которые выбрасывают чёрные дыры. Эти струи закручены магнитными полями и могут терять устойчивость, начиная колебаться.

Крошечный алмаз висит в воздухе, удерживаемый электрическим полем, как пылинка в луче света. Внутри него спрятаны дефекты — места, где атом углерода заменён азотом, а рядом пустота. Эти дефекты ведут себя как магнитики, которые можно переворачивать лазером и микроволнами. Когда магнитики переворачиваются, они слегка толкают алмаз. Толчок крошечный — как если бы муравей дунул на футбольный мяч.

Солнце — не спокойный шар. Внутри него постоянно гуляют волны, как в колоколе после удара. Эти колебания выходят на поверхность и выдают, что происходит на обратной, невидимой стороне. Астрономы давно умеют «слушать» этот звон и находить там большие группы пятен. Но до сих пор не могли сказать главного: где у пятна северный магнитный полюс, а где южный.

Магнит на холодильнике держится потому, что внутри него крошечные атомные стрелки выстроены в одном направлении. Но квантовая механика заставляет эти стрелки дрожать, и общая намагниченность становится меньше идеальной.

Радиотелескоп VLA всматривался в туманность Бумеранг — облако, раздутое ветром от быстрой вращающейся нейтронной звезды. На новых снимках проступили детали размером с лунный диск на небе: вытянутое ядро вокруг пульсара и длинная дуга, огибающая его с севера.

В огромном ускорителе частиц, где протоны на скорости, близкой к световой, врезаются в неоновую мишень, рождаются очарованные барионы — частицы, которые живут меньше миллиардной доли секунды. Учёные из коллаборации LHCb впервые сумели измерить, как эти частицы «крутятся» — точнее, как направлен их спин, — и обнаружили неожиданную разницу между частицами и их зеркальными двойниками.

В тёмном облаке L43, где рождаются звёзды, пылинки кружатся, как крошечные компасы. Свет от молодой звезды толкает их, а магнитное поле выстраивает в определённом направлении. Когда пылинка повёрнута к нам боком, её тепло приходит к нам поляризованным — как свет, прошедший сквозь узкую щель.

Свет может рисовать узоры прямо внутри глаза — без экрана и очков. Когда луч особой формы попадает в зрачок, он создаёт в поле зрения тёмные лучи, похожие на спицы вращающегося колеса. Эти лучи видит сам человек, потому что они рождаются в клетках сетчатки, а не снаружи. Такой узор называют энтоптическим — «видимым изнутри».

Луч света с круговой поляризацией падает на кристалл перовскита MAPbI3. Электроны внутри кристалла начинают вести себя как крошечные волчки, чьи оси выстраиваются вдоль луча. Это явление называют оптической ориентацией спинов.

Свет, проходящий через оптоволокно, похож на бегуна в узком коридоре: он может бежать ровно, а может вилять из стороны в сторону. Направление этих «виляний» — поляризация. Физики научились удерживать бегуна на прямой: они постоянно проверяют его траекторию и мягко поправляют, не давая свернуть. Такой приём называется защитным измерением Зенона.

Обычный магнитный компас замирает, когда рядом бьёт молния. Резкий скачок магнитного поля сбивает стрелку с толку. Похожая проблема мешала учёным измерять магнетизм материалов в сильных импульсных полях — таких, что включаются на тысячную долю секунды. Новая установка решает эту задачу с помощью лазерного луча.