вихри в сверхтекучей жидкости

В парижской лаборатории свет заставили обтекать преграду, как вода обтекает камень в ручье. Только вода здесь особенная: она не чувствует трения.

Вода, зажатая между двумя цилиндрами, при вращении внутреннего сначала течёт ровными слоями. Но стоит скорости перейти некую границу, как слои сминаются в кольцевые валики, похожие на стопку бубликов. Физики называют это вихрями Тейлора: течение теряет устойчивость, и в нём появляется регулярный узор.

Дождевая капля скользит по ветру и врезается в океан не отвесно, а под углом. В этот момент её энергия расщепляется на два русла: одно толкает воду вперёд по ходу полёта, другое вдавливает её вниз, в глубину. От того, какое русло окажется сильнее, зависит, что произойдёт на поверхности: тихое погружение, веер брызг в одну сторону или корона, рассыпающаяся во все стороны.

В кольцевом ускорителе пучок электронов мчится по замкнутой траектории миллионы раз. Если электроны закручены, как нити в верёвке, их вихревое движение — орбитальный угловой момент — должно сохраняться. Но на пути пучка встречаются случайные толчки от несовершенных магнитов, которые могут разрушить эту структуру.

В центре многих галактик прячется невидимое облако — гало из тёмной материи. Если эта материя достаточно холодная и лёгкая, она ведёт себя как сверхтекучая жидкость: течёт без трения, а любое вращение в ней закручивается в крошечные квантовые вихри — нити размером с атомное ядро.

Двумерные миры не устают удивлять: здесь даже плавление кристалла — не разрыв симметрии, а вихревой спектакль, открытый Костерлицем и Таулессом. В сердце этого театра — топологические сингулярности, чья энергия и энтропия торгуются о порядке. Этот язык един для сверхтекучести и сверхпроводимости.

Сверхтвёрдое тело — экзотическое состояние материи, сочетающее кристаллический порядок со сверхтекучестью: вещество одновременно сохраняет жёсткую периодическую структуру и течёт без трения. Его получают, охлаждая атомы почти до абсолютного нуля.

Парадокс молодого солнечного ветра долго не давал покоя гелиофизикам. Измерения показали: вблизи светила протонные пучки не размыты, а сжаты, словно кто-то аккуратно придал им форму головки молотка.

Камень падает в пруд — и по воде разбегаются круги. Длинные волны и короткие движутся с одной скоростью: так ведёт себя обычный звук почти в любой среде. Но в квантовых жидкостях всё может быть иначе. Физики рассмотрели сверхтекучую жидкость, где частицы движутся по «плоской» энергетической полосе.

Вода в горной реке не течёт ровно: она бурлит, крутится воронками, внезапно ускоряется. Такое беспорядочное движение называют турбулентностью. Но даже в ней есть свои скрытые ритмы — редкие и сильные порывы, которые на короткое время меняют всю картину течения.

Звук распространяется сквозь среду с определённой скоростью. Когда среда движется быстрее звука, волны увлекаются потоком — подобно щепке, затянутой в водоворот. В сверхтекучем гелии — жидкости, лишённой вязкости и трения — быстрое вращение порождает квантованные вихри, напоминающие микроскопические воронки.

В сверхтекучем гелии исчезает вязкое трение — жидкость течёт, как горный ручей, но без малейших завихрений, демонстрируя макроскопический квантовый эффект.

В речном потоке вода нередко закручивается в воронки. Но аналогичное поведение демонстрируют и носители заряда в полупроводниках — основе современных микрочипов. При низких температурах и в образцах исключительной чистоты электроны переходят в особое состояние, напоминающее жидкость.

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.

Внутри сверхпроводника магнитное поле обычно закручивается в трубки — вихри, каждый из которых несёт один квант магнитного потока. Так устроена классическая решётка Абрикосова. Но в кристаллах LiFeAs картина иная. Мюонная спектроскопия показала: поле проникает не отдельными вихрями, а полосами. В каждой полосе — пары «безсердцевинных» вихрей.

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.

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.

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.

В обычной воде рябь от брошенного камня расходится ровными концентрическими кругами. Но представьте жидкость, молекулы которой похожи на крошечные винтики с правой резьбой. В такой среде поверхность работает как дорога с односторонним движением: волны могут распространяться только в определённом направлении.

Молодая планета в газовом диске напоминает пловца, который пытается плыть против течения: трение о газ тормозит её, и она по спирали приближается к звезде. Для небольших каменистых планет такое падение может занять меньше времени, чем нужно для их роста. Но в диске есть и встречные потоки — вихри, которые могут подталкивать планету наружу. Учёные построили компьютерную модель диска вокруг молодой звезды.

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.

В сверхпроводнике электрический ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но если поместить такой материал в магнитное поле, внутри появляются вихри — крошечные воронки, в которых сверхпроводимость разрушена. Пока эти воронки стоят на месте, ток идёт свободно. Стоит им сдвинуться — возникает сопротивление, и энергия начинает тратиться впустую.

Бактерии в капле воды толкаются и плывут — каждая сама по себе, но вместе они создают узоры. При слабом движении жидкость бурлит, как суп на сильном огне: вихри сталкиваются, направление течения меняется каждую секунду. Это называют бактериальной турбулентностью.

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.

Тёмная материя — невидимый океан, который, как показали наблюдения Веры Рубин за скоростями звёзд на окраинах галактик, удерживает их от разлёта: гравитационное притяжение этого океана компенсирует центробежную силу.

Вращающаяся чёрная дыра — область пространства с гравитацией столь сильной, что ничто, даже свет, не может её покинуть, — ведёт себя как гигантская воронка, но не просто засасывает всё вокруг: она закручивает само пространство, словно быстрое течение реки.

Капните мёд на губку. Он лениво ползёт, обходя пустоты. Но если мёд станет менее вязким от нажатия, течение окажется хитрее. Жидкость с переменной вязкостью в неровном лабиринте пор — задача, не поддававшаяся расчётам. Авторы новой работы усреднили хаос микроканалов в простые уравнения.

Когда в чашке закручивают жидкость, формируется воронка с пустым центром — областью, где вода отсутствует. В этой полой сердцевине волны попадают в ловушку: отражаясь от стенок вихря, они отнимают у вращательного движения энергию и усиливаются подобно цепной реакции — каждая последующая волна мощнее предыдущей, пока не происходит резкий выброс, напоминающий взрыв.