скорость звука

Если толкнуть воду в узком канале слишком быстро, возникает крутая волна, которая обрушивается пеной. В мире сверххолодных атомов, охлаждённых почти до абсолютного нуля, такой волне не дают обрушиться квантовые законы. Физики взяли облако атомов рубидия, вытянутое в тонкую нить — такую систему называют квантовой жидкостью, — и резко сжали его с одного конца подвижной стенкой из света.

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.

Обычный фонарь излучает свет во все стороны, и уже через пару десятков метров его луч ослабевает настолько, что едва освещает стену. Атмосфера рассеивает фотоны, а ветер и тепловые потоки дополнительно искажают волновой фронт. Но если проложить для света невидимую трубу прямо в воздухе, луч пойдёт по ней, как вода по шлангу.

В кристалле тепло распространяется посредством колебаний кристаллической решётки. Атомы колеблются, и эти колебания, называемые фононами — коллективными возбуждениями, переносящими энергию, — перемещают тепло от горячего края к холодному.

Вспышка болезни похожа на лесной пожар: огонь бежит по сухой траве, и его скорость зависит от ветра и влажности. Но у инфекции свой «ветер» — то, как часто люди заражают друг друга. Когда этот показатель меняется вместе с долей уже заболевших, волна эпидемии может вести себя по-разному.

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.

В 2017 году детекторы LIGO и Virgo записали дрожь пространства-времени от столкновения двух нейтронных звёзд — событие GW170817. За первым всплеском последовало послезвучие: килогерцевые колебания только что родившегося сверхплотного остатка. Этот сигнал — не просто шум, а голос самой материи, сжатой до немыслимых пределов.

Пьезоэлектрические кристаллы, закреплённые снаружи и внутри металлической стенки, образуют невидимый энергетический канал. Внешний кристалл, получив переменный электрический ток, начинает вибрировать — его механические колебания, словно рябь на воде, разбегаются по металлу во все стороны.

Нейтронная звезда — это город, стиснутый до размеров мегаполиса, где материя уплотнена до предела. В самом центре такого города может начаться перестройка: привычные нейтроны и протоны уступают место кварковой плазме — свободным кваркам, из которых состоит почти всё вокруг.

Представьте реку на перекате: поток ускоряется до того, что ни одна волна уже не пойдёт против течения. Так и газ у чёрной дыры: достигнув скорости звука, он запирает сам себя — рождается акустическая чёрная дыра, двойник гравитационной бездны. Здесь горизонт событий соткан из потока, быстрее собственного звука.

Жители Перта знают: когда дневная жара становится невыносимой, с океана приходит спасение — свежий бриз, который здесь ласково называют Фрео Доктор. Такой же ветер, только глобального масштаба, вершит судьбы космических посланцев, врывающихся в атмосферу. Падение метеорита — спектакль с двумя актами.

Если ударить по алмазу, он отзовётся звоном — но звук внутри него живёт и без удара. Там постоянно бегут волны сжатия и разрежения, похожие на рябь, которую камень бросает по воде. Только рябь эта — тепловые колебания самих атомов, и её можно засечь лазером. Авторы работы направили на алмаз зелёный лазер и следили, как свет рассеивается на этих невидимых волнах.

Нейтронная звезда — это то, что остаётся после взрыва массивной звезды. Вещество в ней сжато так сильно, что чайная ложка весила бы как гора. Но что именно происходит в самой глубине, где протоны и нейтроны могут рассыпаться на кварки, остаётся загадкой.

После Большого взрыва тёмная материя — загадочный компонент, проявляющий себя только через гравитацию — и обычное вещество, состоявшее в основном из водорода, приобрели разные скорости.

Каждый гласный звук — это особая форма рта, языка и глотки. Когда человек произносит «а», «и» или «у», внутри головы меняется не только воздух, но и то, как сквозь неё проходят радиоволны. Исследователи заглянули в этот процесс с помощью МРТ-снимков, сделанных прямо во время речи, и построили точную компьютерную модель головы — от костей до мягких тканей.

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.

Дождевая капля падает в лужу, и от удара взлетает фонтанчик мелких брызг. Каждая из них — новая, вторичная капля. Сколько их, какого они размера и как долго живут, зависит от множества вещей: скорости падения, размера капли, свойств воды. Учёные решили разобраться в этом хаосе с помощью компьютерного моделирования. Они воссоздали падение одной и двух капель дождя в воду.

Нейрон воспринимает электрические сигналы, подобно сверхчувствительному микрофону, улавливающему малейшие колебания. Его «слуховой аппарат» — ионные каналы, белковые поры в клеточной мембране, которые открываются в ответ на изменение трансмембранного напряжения, порождаемого движением заряженных частиц.

Сверхтекучесть — состояние жидкости, в котором она течёт без трения, не теряя энергии. Гелий-3, редкий изотоп, обретает это свойство лишь при температурах в тысячные доли градуса выше абсолютного нуля.

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.

Корона Солнца похожа на лохматый одуванчик: яркие лепестки-петли удерживают горячий газ у поверхности, а между ними в космос уходят длинные разреженные струи. Эти струи — гелиосферный токовый слой — тянутся через всю Солнечную систему. Но как именно плазма переходит из замкнутых петель в открытый поток, оставалось загадкой.

Звезда вроде Солнца гудит, как колокол: внутри неё звуковые волны заставляют поверхность едва заметно дрожать. По этой дрожи астрономы, словно врачи по пульсу, судят о температуре, плотности и возрасте звезды. Но телескоп «Кеплер» заметил странность: у многих звёзд, которые крутятся быстро и покрыты пятнами, дрожи не слышно. Будто у них пропал голос.

В привычном нам макромире любое движение неизбежно затухает: вмешивается трение — диссипативный процесс, рассеивающий энергию. Но квантовая реальность преподносит сюрпризы.

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.

Раскалённый газ, который течёт от Солнца, — это не сплошной поток, а скорее суп из заряженных частиц. В этом супе то и дело закипают волны: электрические поля вспыхивают и гаснут, как рябь на воде от брошенного камня. Одна из таких волн — ионно-ионная акустическая. Она возникает, когда два сорта ионов (атомов, потерявших электроны) движутся с разной скоростью.