Цивилизация
Вихревые потоки — нередкое природное явление. Они появляются как в воздухе, так и в воде и могут быть вызваны как естественными явлениями, так и внешним вмешательством – от струи дыма изо рта курильщика до крыла летящего самолета. В последнем случае два вихревых потока возникают, когда самолет резко ускоряется, и движутся они в противоположных направлениях.
Именно этим примером вдохновились американские ученые.
Физики Уильям Ирвайн и Дастин Клекнер из Университета Чикаго впервые создали в жидкости вихревой поток в форме узелка.
В своей статье в журнале Nature Physics они рассказывают, как создали трехмерный профиль, а затем разогнали его до высокой скорости в емкости с наполненной пузырьками водой. Интерес к узлам тоже непраздный: они часто встречаются в природе — считается, что они играют важную роль как в процессах, описываемых квантовой механикой, так и в «классических» процессах.
Долгое время считалось, что существует возможность завязать вихревые потоки узлом в жидкости. Уильям Томсон, лорд Кельвин, создавший абсолютную шкалу температур, полагал, что атомы — это узлы, связующие эфир. Он увидел эксперимент по созданию кольцевого вихря, показанный физиком Питером Тейтом, и проникся элегантностью и устойчивостью эфемерной конструкции.
«В то время никто не знал, что собой представляют атомы, а теория эфира была все еще в моде», — пояснил Ирвайн.
В дни Кельвина ученые полагали, что Вселенная наполнена неким веществом — эфиром, передающим световые волны в пустоте так, как воздух передает звук в атмосфере. Тогда Кельвин предположил, что
атомы — это кольцевые и узловые вихри в эфире, причем разные типы узлов отвечали разным элементам периодической таблицы химических элементов.
Идея о том, что атомы — это узлы, конечно, не подтвердилась, однако открыла интересную область — изучение «узловых» систем в математике и физике.
Однако до сих пор никому не удавалось практически решить задачу получения узловых вихрей.
Ирвайн и Клекнер решили не изобретать велосипед, а использовать самолет.
Они изготовили с помощью 3D-принтера мини-копии аэродинамических поверхностей крыла самолета. Каждое из них они погружали в емкость с водой, наполненной мельчайшими пузырьками, сгенерированными с помощью электрического тока. Затем «крыло» очень быстро дергали, придавая ему значительное ускорение.
В результате этого воде приходилось экстренно заполнять пространство, освобожденное «крылом», собираясь в узел.
Чтобы запечатлеть жидкий узел во всей его трехмерной красе, ученые создали высокоскоростной лазерный сканер.
Экспериментально осуществить эту идею было отнюдь не просто — пришлось перепробовать 30 различных форм «крыла», пока экспериментаторы достигли нужного результата. При ускорении более 100 g (где g — ускорение свободного падения, примерно 9,8 м/с2) «крылья» начали оставлять за собой петли, видимые благодаря пузырькам.
«Пузырьки — отличная находка: именно они позволяют увидеть ядро вихря очень четко», — отмечают авторы работы.
Теперь ученые подтвердили теоретическую возможность «вязать узлы» вручную, и осталось применить ее к реальным системам. Предполагается, что эта технология позволит моделировать экзотические среды, такие как внешняя атмосфера Солнца, сверхпроводящий материал или недра атома, где взаимодействуют элементарные частицы.