У этого сюжета «новостей для другого будущего» есть и иные вполне подходящие названия. От уже знакомого заголовка типа «Наука творения всего из ничего (продолжение)». До, скажем, такого: «Оживление физики от династии Бьёркнесов.» Но суть тут, как обычно, не в названиях, а в фактах.

Один из особо интересных — принципиально важных и абсолютно достоверных — фактов природы заключается в том, что вселенная представляет собой акусто-оптическую голограмму. Другой стороной данного факта является то, что все, как их принято сейчас именовать, «фундаментальные силы» природы — ядерные, электромагнитные, гравитационные — на самом деле являются порождением одной и той же, голографической физики волн.

Когда же (не если, надо подчеркнуть, а когда) наука наша решится эти факты открыто признать и изучать «фундаментальные силы» как разные стороны одной и той же физики, то далее у учёных вдруг откроются глаза и на множество других удивительных вещей. Типа того, к примеру, насколько давно в действительности были выявлены ключевые элементы этой, казалось бы, новой голографической картины. А также и того, со сколь удивительным упорством в научном сообществе на протяжении веков игнорируют и стараются забыть все подобные открытия своих чуть более дальновидных коллег.

Отчего ныне про акустическую левитацию в опытах XVII века [i1]; про феномены самоорганизации материи под действием волн, открытые в XVIII столетии [i2]; про гидродинамику в основах явлений электромагнетизма, экспериментально и теоретически выявленную в XIX веке [i3] — про все подобные открытия в сегодняшней науке не вспоминает практически никто.

Обо всех этих вещах, впрочем, здесь рассказывалось с подробностями ранее и неоднократно. Теперь же — в контексте «других новостей 11:11» — представляется более полезным освещать такие из новейших достижений учёных, которые выводят науку уже прямиком к постижению акусто-оптической голографии в физических основах природы. Но «прямиком», однако, и здесь будет получаться лишь в том случае, если смотреть на происходящее правильно…

#

В том ряду новых открытий и достижений, которые заслуживают здесь особого внимания, самой свежей, наверное, является статья, выложенная на сайте препринтов в декабре 2024 (arXiv:2412.13282), уже принятая к публикации в журнале Granular Matter, но пока что официально не напечатанная. [o1]

Статья носит довольно длинное название, суть которого в сокращённом переводе звучит примерно так: «Настраиваемые механические свойства в акустически левитируемых гранулированных материалах.» Авторами работы являются пять исследователей из трёх разных университетов США, но чтобы более доходчиво передать важный смысл нынешнего научного достижения, удобно сфокусироваться лишь на одном из соавторов. А также на другой работе четырёхлетней давности — от примерно того же коллектива, но с несколько иным составом участников. [o2]

Постоянным участником и этих двух, и множества других созвучных работ, на протяжении трёх с лишним десятков лет исследующих удивительную и часто парадоксальную физику гранулированных материалов [i4], является Генрих Йегер (Heinrich M. Jaeger). Немецкого происхождения учёный-физик, с середины 1980-х живущий и плодотворно работающий в США.

В русскоязычном научном сообществе, к сожалению, гранулированные материалы по давней традиции чаще именуют неудачным термином «сыпучие среды». Неудачным по той причине, что парадоксальная физика гранулированных материалов, равно способных демонстрировать свойства и жидкостей, и газов, и твёрдого тела, по своей природе наиболее близка физике подвижного флюида. Отчего в недалёком будущем, вместе с освоением наукой гранулированно-дискретной структуры пространства [i5], термин «сыпучая среда» окажется для неё совершенно неподходящим.

Здесь, впрочем, речь пойдёт не о лингвистических нюансах терминологии, а о том, как тридцать с лишним лет, затраченные Йегером на разностороннее изучение гранулированных материалов, сегодня дают очень внушительные плоды. Не только в виде созданной им школы из бывших студентов, аспирантов и постдоков, ныне возглавляющих лаборатории в других университетах. Но и, самое главное, как целый букет важных экспериментальных результатов, вполне подходящих в качестве удобного каркаса для освоения идей акусто-оптической голографии в основах конструкции вселенной.

А поскольку феномен акустической левитации играет в этой картине одну из центральных ролей, рассказывать о достижениях школы Йегера удобнее всего на этом примере. Точнее, на примере их работы 2021 года «Механические свойства акустически левитируемых гранулированных бран» [o2]. Аккуратности ради следует отметить, что сами исследователи называют свои левитирующие объекты Rafts (плоты, плотики), однако для наших целей — единой картины мироустройства — удобнее то же самое называть «браны».

Дабы суть той примечательной физики, что характерна для феномена самосборки левитирующих плотиков-бран, проступила как можно более отчётливо, полезно посмотреть видеозапись процесса (воспроизводимого при 100-кратном замедлении скорости). [o3]

Если же углубиться в подробности данного эксперимента, то демонстрируемый на видео феномен самосборки гранулированных плотиков посредством акустической левитации удобно пояснять с помощью такой последовательности иллюстраций из статьи учёных-исследователей [o2].

На первой иллюстрации в подборке представлена общая схема настольной опытной установки, обеспечивающей акустическую левитацию и коллективное поведение гранулята — множества лёгких «частиц» (полиэтиленовых шариков диаметром менее миллиметра). Пьезоэлектрические элементы (цилиндр наверху) подсоединены к алюминиевому рупору Ланжевена для генерации ультразвука. Рупор находится на определённом, задаваемом длиной волны, расстоянии от стеклянной пластины-отражателя. Пунктирный чёрный прямоугольник очерчивает рабочую область, в которой ультразвуком формируется акустическая ловушка (плоскость левитации) и делаются снимки происходящего.

Следующая далее последовательность снимков (вид сбоку) отображает происходящее в разные моменты эксперимента. В момент времени t=0 порождается акустическая стоячая волна между излучателем-трансдюсером и поверхностью отражателя, на которую насыпаны частицы. Эти частицы поднимаются с поверхности в воздух «первичной акустической силой», и поначалу в беспорядке локализуются-левитируют поодиночке в акустической ловушке. То есть в плоскости узла стоячей волны.

Затем, под действием «вторичной акустической силы», частицы притягиваются друг к другу и формируют небольшие кластеры, которые хаотически перемещаются в акустическом поле до тех пор, пока не сливаются в монослой плотика-браны. Поскольку феномен вторичной акустической силы — также известной как «сила Бьёркнеса» — занимает в этой физике совершенно особое место, чуть далее про него будет рассказано подробнее.

А пока, для полноты картины, ещё несколько иллюстраций из работы исследователей.

На данной последовательности снимков (вид снизу) показано, как выглядят самособранные плотики, состоящие из нарастающего числа частиц N0 . Примерно круглую форму монослоя обеспечивает вращение плотика в плоскости левитации, порождаемое благодаря манипуляциям с частотой ультразвука. Манипуляции с частотами звука позволяют изменять и скорость вращения объекта, управляя таким образом «силами отталкивания», стремящимися оторвать частицы от кластера.

Следующая последовательность снимков (вид снизу) показывает, как два плотика притягиваются друг к другу и сливаются в один более крупный плот. Различия в яркости фрагментов соответствуют локальным искривлением поверхности плотика относительно основной плоскости левитации. Здесь неожиданным открытием исследователей стало то, что акустический аналог «силы поверхностного натяжения», удерживающей частицы в кластере, не постоянен, а нарастает вместе с ростом кластера.

#

Описанные здесь в самых общих чертах эксперименты с левитирующим гранулятом ныне предоставляют исследователям обширное поле для таких исследований, которые сулят прояснить многие из по сию пору неясных моментов в физике взаимного притяжения и отталкивания объектов на самых разных масштабах природы. В частности, есть понимание, что настольные эксперименты такого рода дают интересные аналогии как для физики взаимодействий нуклонов в атомном ядре, так и для поведения груды космических обломков, образующих астероиды. [o3]

Один же из самых примечательных аспектов этих исследований заключается в том, что феномен «вторичных акустических сил» хорошо известен в физике весьма давно, уже свыше ста лет. И вплоть до недавних пор их было принято именовать «силами Бьёркнеса», поскольку первое феноменологическое и математическое описание данной физики было дано норвежским «отцом научной метеорологии» Вильгельмом Бьёркнесом — в его курсе лекций, прочитанном в США в начале XX века. [o4]

Бьёркнес, правда, рассматривал физику поведения пузырьков воздуха в жидкости, находящейся под воздействием внешнего акустического поля (или, иначе, «первичной акустической силы»). Однако, физика «вторичных акустических сил», порождаемых теми волнами, что рассеиваются в жидкости пузырьками, оказывается по сути той же самой, что и для твёрдых частиц, левитирующих в воздухе. То есть и здесь, аналогично, вторичные силы Бьёркнеса могут вызывать как взаимное притяжение, так и отталкивание частиц, в зависимости от управляющих параметров системы.

И хотя в современных исследованиях «вторичных акустических сил» почему-то почти перестали упоминать имя Бьёркнеса, это ничуть не мешает успехам учёных в плодотворном освоении явно перспективной области. Где за последние годы отмечены такие достижения, как точные прямые измерения сил связи в левитируемых системах, тонкие манипуляции многотельными левитирующими структурами, самосборка сложных конструкций на основе элементов типа «замок и ключ», изменение фазовых состояний левитирующего кластера между «кристаллическим» и «жидким». [o5][o1]

Но самое замечательное, что сейчас все эти исследования находятся лишь в самом начале большого пути. Ибо уже вполне проявившиеся и в целом понимаемые взаимосвязи между акустической левитацией гранулята и феноменами активной — «живой» — материи (включая инженерию Флоке) сулят данному направлению и несравненно более великие достижения. [i6]

Благодаря единому взгляду на все эти, казалось бы, разные направления, со временем станет ясно, что «фундаментальные силы» природы — не только электромагнитные, но также и ядерные, и гравитационные — на самом деле являются порождением одной и той же «вторичной акустической силы». Которая в некотором глубоком смысле является иным названием для богатой волновой физики голографии.

Иначе говоря, благодаря оживлению почти забытой «физики от династии Бьёркнесов» [i3] наука наша здесь уже вплотную подошла к открытию удивительного факта природы. Факта того, что вселенная представляет собой акусто-оптическую голограмму.

Сколько времени понадобится для того, чтобы признать данный факт официально, — это, ясное дело, вопрос уже другой…

# # #

Дополнительное чтение:

[i1] Бэкон и розенкрейцеры ; О фибрах души, или Тонкости душевной организации

[i2] Формы музыки

[i3] Обратная сторона метеорологии, или Бьёркнесы как тайна науки ХХ века

[i4] Бразильский орех и гравитация

[i5] Вихревые кристаллы и дискретная структура пространства

[i6] Чудеса инженерии Флоке, или Что не видят, не слышат и не обсуждают

# #

Основные источники:

[o1] Nina M. Brown, Bryan VanSaders, Jason M. Kronenfeld, Joseph M. DeSimone, Heinrich M. Jaeger. Tunable mechanical properties and air-based lubrication in an acoustically levitated granular material. arXiv:2412.13282

[o2] Melody X. Lim, Bryan VanSaders, Anton Souslov, and Heinrich M. Jaeger. Mechanical Properties of Acoustically Levitated Granular Rafts. Physical Review 12, 021017 (2022).  arXiv:2106.09765

[o3] Floating Particle Clump Mimics Asteroids and Nuclei. By Mark Buchanan. Physics 15, 59 (April 22, 2022)

[o4] V. F. K. Bjerknes, Fields of Force (Columbia University Press, New York, 1906); L. A. Crum, “Bjerknes forces on bubbles in a stationary sound field,” J. Acoust. Soc. Am. 57, 1363-1370 (1975)

[o5] Nina M. Brown et al. Direct measurement of forces in air-based acoustic levitation systems. arXiv:2406.18710 ; Melody X. Lim et al. Acoustic manipulation of multi-body structures and dynamics. arXiv:2401.07859 ; Brady Wu et al. Hydrodynamic Coupling Melts Acoustically Levitated Crystalline Rafts. ArXiv:2211.02750 ; Melody X. Lim, Heinrich M. Jaeger. Acoustically levitated lock and key grains. ArXiv:2208.06055

#