Перемішайте ложкою чай, погляньте на хмари, що клубяться, або уявіть собі рев реактивного двигуна. У всіх цих явищах, якими б різними вони не здавалися, править той самий невловимий і складний феномен — турбулентність. Фізики десятиліттями б’ються з того, щоб повністю описати цей хаотичний танець вихор, адже він визначає все: від погоди на планеті до ефективності літакових крил. І ось, щоб розгадати цю всесвітню загадку, вченим довелося звернутися до однієї з найдивніших речовин у Всесвіті — надплинного гелію.
Недавнє дослідження міжнародної групи вчених, включаючи фахівців із США, Великобританії та Франції, пролило світло на фундаментальні закони, які керують цим хаосом. І зробили вони це, спостерігаючи за поведінкою мікроскопічних торнадо в рідині, охолодженій майже до абсолютного нуля.
Ідеальна лабораторія у краплі гелію
Уявіть рідину, яка не знає, що таке тертя. Вона протікає вічно, не сповільнюючись, і здатна сама по собі підійматися по стінках судини, немов кидаючи виклик гравітації. Це не наукова фантастика, а реальність надплинного гелію — стану, в який гелій переходить при температурі нижче -271 °C.
Але головна його цінність для вчених над цих екзотичних властивостях. На відміну від води або повітря, де вихори можуть виникати і зникати найхимернішим чином, у надплинному гелії все обертання суворо впорядковане. Воно може існувати лише у вигляді так званих квантованих вихорів.
Що це означає? Простіше кажучи, рідина не може обертатися абияк. Обертання відбувається суворо відміряними «порціями», зосередженими в найтонших нитках, схожих на мікроскопічні смерчі. Кожен такий вихор — це стабільна, майже вічна структура, яка несе в собі мінімально можливий «заряд» обертання, наказаний законами квантової механіки. Як пояснює професор Вей Го, один з авторів роботи, ці вихори «топологічно захищені», що робить їх неймовірно стійкими та зручними для спостереження.
Саме ця передбачуваність перетворила надплинний гелій на ідеальну «пісочницю» для вивчення турбулентності. Замість того, щоб намагатися встежити за хаосом у звичайному потоці повітря, вчені змогли спостерігати за поведінкою окремих, чітко визначених вихорів.
Побачити невидиме та зрозуміти незворотне
Як же зазирнути у цей квантовий світ? Вихори самі собою невидимі. Щоб їх відстежити, команда дослідників застосувала витончений метод: вони ввели в надплинний гелій крихітні заморожені частинки дейтерію (важкого водню). Ці частки, немов порошинки в сонячному промені, потрапили в пастку вихорів і зробили їх видимими. Направивши на них плоский лазерний промінь і знімаючи те, що відбувається, на високошвидкісну камеру, вчені змогли в деталях зафіксувати балет цих квантових торнадо.
Саме тут їх чекало головне відкриття. Коли два такі вихори стикалися і «переєднувалися» — тобто розривалися та утворювали нові зв’язки, — відбувалося щось надзвичайне. Після зіткнення вихори завжди розліталися один від одного швидше, ніж наближалися.
Цей, здавалося б, простий факт має колосальне значення. Він говорить про те, що процес необоротний. Це схоже на те, якби дві більярдні кулі після зіткнення не просто відскочили, а набули додаткового імпульсу, що взявся немов з нізвідки. Зрозуміло, енергія з нізвідки не береться. Виявилося, що в момент переєднання частина енергії, укладеної в самій структурі вихрових ліній, вивільняється у вигляді різкого сплеску, який і розганяє їх.
Це, назване тимчасової асиметрією, виявилося універсальним законом. Воно описує фундаментальний механізм того, як енергія передається і розсіюється в текучих середовищах — і неважливо, говоримо ми про крижане гелію або гаряче повітря в турбіні.
Від квантового світу до гулу реактивного двигуна
Які ці мікроскопічні квантові ефекти мають до нашого повсякденного світу? Найпряміше. Хоча самі квантовані вихори існують лише в екзотичних умовах, фізичні принципи їхньої взаємодії — зіткнення, переєднання та вивільнення енергії — виявилися загальними для всіх рідин та газів. Турбулентність у класичному світі — це, по суті, найскладніша мережа з безлічі таких вихрів, що взаємодіють, різного масштабу. Розуміння того, як енергія каскадом передається від великих завихрень до малих на фундаментальному рівні, відкриває неймовірні перспективи.
Робота міжнародної команди вчених показала, що іноді для вирішення найбільших і найскладніших проблем потрібно поглянути на найменші та найпростіші системи. Вивчаючи передбачуваний та впорядкований танець квантових торнадо, ми отримуємо ключ до розуміння всеосяжного та могутнього хаосу, що формує світ навколо нас.
