распределение скоростей

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.

Крыло самолёта, как лыжник на трамплине, помнит свой разгон. Резко изменил угол атаки — и подъёмная сила не сразу достигает нового значения. Она нарастает постепенно, будто крыло ещё не уверено, что манёвр всерьёз. Этот эффект открыл инженер Герберт Вагнер в 1925 году. Он описал рост подъёмной силы после мгновенного изменения угла атаки, но его формула осталась без явного выражения.

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.

Представьте крутой горный склон. Порой один упавший камень беззвучно застревает, а иногда он запускает мощную лавину. Исход определяет состояние самого склона.

Кипящий суп в кастрюле — но каждая крупинка в нём не просто точка, а крошечный волчок, вращающийся вокруг своей оси. Таков мир частиц со спином 1. Например, некоторых короткоживущих мезонов, которые рождаются в столкновениях на ускорителях. Когда таких частиц очень много и они горячие, их коллективное поведение можно описать как течение особой жидкости.

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?

Если насыпать в стакан песок, он ляжет ровным слоем. Но вместо песка возьмём мельчайшие частицы газа: в поле тяжести они не просто падают — каждая крупинка несётся по своей траектории, сталкивается с соседками, и вся эта суета рождает давление. Добавьте сюда эффекты теории относительности — и привычная картина чуть заметно меняется.

Гигантский котёл с кипящим супом простирается на миллионы световых лет. Это атмосфера скопления галактик Персея — облако раскалённого газа, удерживаемое гравитацией. До недавнего времени астрономы считали, что в центре этого котла газ спокойно остывает, готовясь превратиться в новые звёзды.

Поток электронов влетает в плазму, как струя воды бьёт в спокойный пруд. Струя возмущает поверхность, рождая волны, которые быстро растут и перемешивают воду. В плазме такой процесс называется неустойчивостью Бунемана: электронный пучок раскачивает колебания, которые затем рассеивают его энергию.

В тонком канале полупроводника электроны ведут себя не как одиночки, а как толпа в час пик. Они то и дело сталкиваются друг с другом, и от этих столкновений зависит, насколько легко тепло и электрический ток проходят через материал. Обычно эти два потока идут рука об руку: хороший проводник электричества так же хорошо проводит тепло.

Возле чёрных дыр и нейтронных звёзд плазма бурлит, как вода в кипящем чайнике. Но в этом «чайнике» нет стенок — только магнитные поля, которые скручиваются и рвутся. В местах разрывов возникают тонкие слои, где магнитное поле пересоединяется, и частицы получают пинок, как сёрфер на волне.

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.

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.

Живая клетка похожа на оживлённый город: по её улицам непрерывно движутся грузы, а транспортные потоки регулируются так, чтобы всё необходимое попадало в нужное место вовремя. Но если за городом можно наблюдать с вертолёта, то за внутренностями клетки долгое время удавалось следить лишь через узкую щель — микроскоп показывал только плоскую картинку.

Кастрюля с кипящей водой стоит на плите: чем сильнее огонь, тем горячее вода и тем больше пара вырывается наружу. Примерно так же ведёт себя горячий газ в скоплениях галактик. Но в небольших группах галактик этот «пар» утекает быстрее, чем можно ожидать по температуре.

Клетка — это город с воротами. Каждые ворота — белковый канал в мембране: через него внутрь и наружу проходят ионы, сахара, сигнальные молекулы. Одни ворота почти всегда открыты, другие открываются и закрываются случайно, как двери в метро, которые то пропускают пассажира, то захлопываются перед носом.

В щелях между клетками мозга течёт жидкость. Она не стоит на месте: каждый удар сердца толкает её вперёд, а дыхание добавляет свои волны. Десять лет назад это увидели на снимках, но только теперь подсчитали, как такая пульсация разгоняет молекулы. Если капнуть чернила в ручей, они поплывут по течению. А если ручей то ускоряется, то замедляется, чернила размазываются шире.

В XIX веке Джеймс Клерк Максвелл вообразил крошечного демона. Тот знает скорость каждой молекулы газа и открывает дверцу: быстрые — налево, медленные — направо. Так без затрат энергии возникает разница температур, что будто нарушает законы физики. Но разгадка — в информации: чтобы запомнить скорости и решать, демону нужна память.

Блазар — это далёкая галактика, из центра которой бьёт струя плазмы, направленная почти прямо на нас. Внутри этой струи частицы разгоняются до скоростей, близких к световой, и испускают мощное излучение.

Уравнение диффузии — математический инструмент, описывающий, как частицы расползаются в пространстве, — долгое время рисовало парадоксальную картину: возмущение, словно круги на воде, мгновенно охватывает всю Вселенную. Это бросало вызов теории относительности, утверждающей, что ничто не может двигаться быстрее света.

Когда вода бурлит за кормой лодки, энергия движения переходит в тепло через каскад вихрей. Измерить, как быстро это происходит, напрямую сложно: нужно следить за всеми вихрями сразу. Поэтому учёные используют упрощение — смотрят только на одну компоненту скорости в одной точке. Классическая формула связывает квадрат этой компоненты с общей скоростью диссипации энергии.

В горах эхо повторяет любой крик, и не сразу поймёшь, кто кричал: человек или ветер. Примерно так же выглядит работа климатологов, когда они пытаются понять, почему случилась аномальная жара или засуха. Они ищут отпечаток человека в погодной катастрофе, но у природы есть собственные голоса, которые могут звучать похоже.