вихревая решётка

Метроном отбивает ритм, и музыкант подстраивается под него, не думая о длине нот. Точно так же вихри на крыле насекомого подчиняются единому ритму, который задан не механикой взмаха, а универсальным законом отрывного течения. Этот ритм выражается числом Струхаля — безразмерной частотой, которая остаётся постоянной для самых разных течений.

Вода в баке крутится со скоростью, близкой к четырём оборотам в секунду, и в ней, как по волшебству, возникает колонна размером с обеденный стол. Вихрь живёт десятки оборотов, хотя всё вокруг него бурлит и дрожит. Откуда берётся такая устойчивость? Секрет в том, что вихрь не изолирован. Его подпитывают волны, которые рождаются у стенок бака и бегут внутрь, как рябь по поверхности пруда.

Вихрь в магнитном диске обычно ведёт себя как большой юла: чтобы он не опрокинулся, нужна просторная площадка и сильное собственное поле, которое возвращает его в центр. Но что если площадку уменьшить до размера вируса? Тогда привычная опора исчезает, и вихрь должен рассыпаться.

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.

Лазерный импульс врезается в облако газа и выбивает из него электроны, оставляя за собой пузырь — полость, где почти нет частиц. Этот пузырь летит сквозь плазму почти со скоростью света, а его стенки тянут за собой попавшие внутрь электроны, как быстроходный катер тянет за собой водного лыжника.

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.

Вихрь в магнитном материале — это как водоворот, но вместо воды закручиваются направления намагниченности. Электрон, пролетая сквозь такой вихрь, чувствует не просто магнитное поле, а искривление пространства: его путь изгибается, словно он катится по воронке с узким горлышком.

Чёрная дыра — не просто космический пылесос. Если она вращается, то способна усиливать волны вокруг себя, как горное эхо повторяет звук. Для сверхлёгкой тёмной материи — гипотетических частиц в миллиарды раз легче электрона — этот эффект, называемый сверхизлучением, может создать огромное облако.

89 миллисекунд. Именно столько длится сход вихревой лавины, которая резко ускоряет вращение пульсара Vela — одного из самых известных «сбойных» пульсаров. Пульсары — это стремительно вращающиеся нейтронные звёзды, рождающиеся в коллапсе сверхновых.

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.

Сверхтекучая жидкость течёт без трения — как вода, которая никогда не останавливается. Но если её закрутить, она не просто вращается: каждый крошечный вихрь помнит, как именно его закрутили. Этот «след» — не метафора, а реальный геометрический отпечаток, который физики называют фазой Берри (набег фазы волны при движении по замкнутому пути).

В ускорителях вроде Большого адронного коллайдера сталкивают тяжёлые ядра на огромной скорости. На миг рождается кварк-глюонная плазма (КГП) — состояние вещества, где кварки и глюоны плавают свободно, как в первые микросекунды после рождения Вселенной. Эта плазма не просто горячая.

В центре многих галактик прячется невидимое гало из тёмной материи — оно удерживает звёзды на окраинах, не давая им разлететься. Долгое время его описывали как разреженный газ частиц, но новая работа предлагает иной взгляд: тёмная материя может собираться в квантовую каплю.

Капля холодного гелия пролетает в опасной близости от чёрной дыры. Это не просто капля — это мёртвая звезда размером с Землю, но с массой, сравнимой с солнечной.

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.

Волчок размером с город, который весит больше Солнца и делает сотни оборотов в секунду. Это нейтронная звезда — остаток взорвавшегося светила. Иногда её вращение вдруг ускоряется, будто внутри что-то переключилось. Астрономы называют такие скачки глитчами и подозревают, что виной всему невидимые вихри в сверхтекучей начинке звезды. Внутренности нейтронной звезды напоминают слоёный пирог.

В квантовом мире частицы тёмной материи могут сливаться в единую сверхтекучую каплю — состояние, известное как конденсат Бозе–Эйнштейна, где вещество течёт без трения, подобно идеальной жидкости.

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.

Вода, уходящая в слив, закручивается в воронку. Обычное дело на кухне. Но именно такая воронка оказалась способна повторить два эффекта, которые физики обычно связывают с чёрными дырами и вращением планет. Первый эффект — сдвиг волны при обходе препятствия.

Согласно Стандартной модели, вакуум — не пустота, а океан виртуальных частиц-призраков — нейтрино и других частиц, почти не взаимодействующих с веществом. Сверхсильное электромагнитное поле, словно шторм, вырывает пары электронов и позитронов в реальность, преодолевая энергетический барьер их рождения.

Нейтронная звезда — это стремительно вращающийся объект массой с Солнце, сжатый до размеров города, возникающий в результате взрыва сверхновой. Обычно её вращение постепенно замедляется, но иногда, без видимых причин, происходит внезапное ускорение — глитч.

В кастрюле с кипящей водой пузырьки пара всплывают и лопаются. В квантовом мире сверхтекучей жидкости пузырьки ведут себя иначе: они могут сталкиваться и рождать вихри — крошечные закрученные потоки, похожие на водовороты в реке. Учёные смоделировали такую жидкость с помощью голографического подхода.

В твёрдом куске сплава олова и свинца слои двух металлов лежат, как страницы в книге. При нагреве с одной стороны слои плавятся не равномерно, а причудливыми языками и пальцами. Учёные изучили этот процесс на прозрачном сплаве, который под микроскопом виден насквозь, и сравнили с компьютерной моделью.

Холодное облако атомов похоже на рой светлячков, которые тянутся друг к другу. Притяжение между атомами пытается собрать их в один плотный ком. Но квантовое дрожание — неустранимое движение частиц — мешает кому схлопнуться. Когда притяжение сильное, облако разбивается на отдельные сгустки.

Физический вакуум — вовсе не абсолютная пустота: при наложении достаточно сильного поля он способен спонтанно порождать пары частиц. Это явление, известное как парадокс Дирака–Клейна, обычно описывается громоздким математическим аппаратом квантовой теории поля. Однако существует удивительно наглядная механическая аналогия, передающая суть процесса без единой формулы.

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.

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.

Резкий порыв ветра бьёт по крылу — и над ним закручивается огромный вихрь. Такой вихрь способен резко изменить подъёмную силу, и самолёт может клюнуть носом. Инженеры давно ищут способ предсказывать эти вихри, но мешает сложность: быстрый поток воздуха полон мелких хаотичных завихрений.

Обычная плитка укладывается в периодический рисунок — мотив повторяется снова и снова. Но атомы, эти фундаментальные «кирпичики» вещества, демонстрируют куда более изощрённое поведение: при определённых условиях они самопроизвольно выстраиваются в сложную мозаику, где узор никогда не повторяется, — подобно старинным изразцовым панно с их непериодической, но строгой гармонией.

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.

Вихрь в сверхтекучем газе похож на водоворот в раковине: жидкость крутится вокруг пустой сердцевины. Если закрутить такой вихрь втрое сильнее обычного, он не удержится — распадётся на три отдельных водоворота, как толстая струя воды разбивается на капли. В новом расчёте тройной вихрь поместили в кольцо из сверххолодных атомов и слегка сжали кольцо в овал.

Вода закручивается в кольцо, и это кольцо летит сквозь толщу, не распадаясь. Такие вихревые кольца — от дыма до подводных течений — живут по законам, которые трудно уловить на бумаге. Обычно поток дробят на миллионы ячеек-кубиков и следят за каждой.

Сверхтвёрдое тело — это лёд, который течёт. Представьте пруд, схваченный ледяной коркой, но с жидкой глубиной, где вода движется без трения. Обычно такую «корку» — сверхтвёрдое состояние — создают, меняя свойства жидкости по всему объёму.

В сверхтекучем гелии — состоянии, где жидкость течёт без трения, — самопроизвольно возникают квантованные вихри: микроскопические воронки, напоминающие водовороты в обычной воде, но подчиняющиеся законам квантовой механики.

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.

Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, электрон, подчиняющийся уравнению Дирака, даже в состоянии полного покоя испытывает Zitterbewegung — сверхбыстрое дрожание с амплитудой порядка триллионных долей миллиметра. Это явление можно представить как колебание волчка, вращающегося на невидимой оси.

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.