Сугубо прикладная наука метеорология целиком сосредоточена, казалось бы, на столь узкой области, как погода планеты. Но при этом ученым-метеорологам то и дело удается оказывать неожиданно мощное воздействие на фундаментальные основы физической науки – от теории гравитации и ядерной физики до теории динамического хаоса. Главная причина тому достаточна очевидна – глубоко прорабатываемая метеорологами теория и практика гидродинамики. А специфическое поведение жидкостей, похоже, на фундаментальном уровне так или иначе проявляет себя чуть ли не в любом разделе физики.

В частности, российским математиком-метеорологом Александром Фридманом в начале 1920-х годов была выведена первая космологическая модель с расширяющейся или сжимающейся формой вселенной – как решение эйнштейновских уравнений общей теории относительности. Сам Эйнштейн, можно отметить, в тот период полагал вселенную стационарной. Новая же динамическая модель оказалась более стабильной и ныне лежит в основе большинства современных космологических теорий под названием «метрика Фридмана-Леметра-Робертсона-Уолкера». Имеет смысл подчеркнуть, что это решение для возможной геометрии вселенной отыскивалось Фридманом с помощью идей и математического аппарата гидродинамики. Иначе говоря, «космологический субстрат» вселенной представляется идеальной жидкостью, в качестве атомов которой выступают галактики.[1]

Двигающаяся без трения идеальная жидкость или «сухая вода», как шутливо называл ее в своих лекциях Ричард Фейнман, на протяжении веков была очень удобной для физиков абстракцией. Поначалу сугубо теоретическая, эта модель существенно упрощала решение гидродинамических задач, во многих случаях предоставляя вполне приемлемые по аккуратности оценок решения. То, что в природе существует реальный аналог идеальной жидкости – сверхтекучесть – было с большим удивлением обнаружено учеными примерно тогда же, когда наука подступилась к тайнам ядерной энергии.

Но явление сверхтекучести, открытое в 1937 году Петром Капицей при охлаждении жидкого гелия до температур, близких к абсолютному нулю, предоставило не только натуральный пример жидкости, лишенной вязкости. Сверхтекучая или супер-жидкость, как выяснилось, обладает и куда более ценными свойствами. В доступных для наблюдений и экспериментов макромасштабах она демонстрирует удивительные квантовомеханические свойства материи, обычно свойственные лишь частицам микромира.

*

Один из наиболее необычных эффектов подобного рода – это квантовые вихри, образующиеся при вращении супержидкости. Если вращать, скажем, обычный стакан с водой вокруг его вертикальной оси, то происходит примерно следующее. После некоторого краткого периода неподвижности жидкость тоже начинает однородно вращаться вместе со стаканом, образуя водяной вихрь. Иначе говоря, скорость частиц в вихре изменяется постепенно – от максимальной у края до минимальной у центра. В контейнере с супержидкостью аналогичный процесс вращения выглядит существенно иначе.

Поскольку сверхтекучая жидкость ведет себя как единая квантовая система, т.е. c дискретными уровнями энергии, она не может вращаться однородно и преобразуется в дискретную систему небольших вихрей. При этом каждый из этих крошечных квантовых торнадо несет отдельный кусочек общего углового момента системы. Квантовые вихри выталкивают частицы из своих центров, формируя нитевидные пустые сердцевины, которые пронизывают супержидкость. Кроме того, вихри отталкивают друг друга, что в условиях теплового равновесия приводит к их упорядочиванию в форме регулярной структуры, похожей на кристаллическую и известной под названием вихревая решетка Абрикосова.

Интересно, что образование такого рода динамичных кристаллических структур в супержидкости советский физик Алексей Абрикосов поначалу предсказал в 1950-е годы сугубо теоретически [2]. Анализировал он, правда, не поведение сверхтекучего гелия, а феномены сверхпроводимости. Но коль скоро электроны в сверхпроводниках образуют, по сути, текущую без сопротивления электронную жидкость, то физика этих низкотемпературных явлений очень близка.

Так что предсказанное Абрикосовым образование вихревых квантовых решеток экспериментаторы впоследствии обнаружили и в сверхпроводниках, подвергаемых воздействию магнитного поля, и в супержидкостях, подвергаемых вращению. Более того, благодаря очень характерной структуре, такие вихревые кристаллы стали на сегодня общепризнанной сигнатурой для выявления сверхтекучего состояния в экспериментах с новыми видами супержидкостей, получаемых из глубоко охлаждаемых атомарных газов.

**

Эксперименты с необычными супержидкостями, так называемыми конденсатами Бозе-Эйнштейна и фермионными газами, вызывают огромный интерес по множеству причин. Их уникальные свойства когерентности – т.е. взаимно согласованное поведение атомов как единой квантовой системы – позволяют в макроскопических масштабах моделировать квантовомеханические феномены материи. А это сулит исследователям не только более глубокое проникновение в природу высокотемпературной сверхпроводимости, но и вообще в физику вселенной на самых ранних этапах ее развития. В частности, работы в данном направлении дают надежду на отыскание разгадки к тайне возникновения собственно материи – то есть структур с более плотной энергией в однородном, по идее, изначальном мире.

Важнейшие эксперименты с глубоко охлажденными атомарными газами были проведены за десятилетний примерно промежуток на рубеже XX-XXI веков. Прогресс в криогенных и лазерных технологиях позволил к 1995 году реально получить конденсат Бозе-Эйнштейна, предсказанный теоретически еще в 1920-е годы, и продемонстрировать его сверхтекучесть. Еще через несколько лет это удивительное состояние материи удалось получить и для фермионного конденсата, когда было показано, что атомы изотопа лития-6 (фермионы) при сверхнизких температурах могут образовывать пары вроде куперовских пар электронов в сверхпроводниках, таким образом тоже превращаясь в конденсат Бозе-Эйнштейна. Сверхтекучее состояние для такого фермионного конденсата впервые было убедительно продемонстрировано экспериментом весной 2005 года группой Вольфганга Кеттерле в Массачусетском технологическом институте. [3]

Исследователи охладили атомы лития до 50-миллиардной доли градуса Кельвина, захватив атомы в ловушку, сконструированную из инфракрасного лазера и кольцевых электромагнитов. После чего с помощью другого, зеленого лазера в качестве «мешалки» заставили вращаться облачко конденсата в ловушке. Образовавшаяся в газе регулярная кристаллическая решетка из крошечных вихрей дала явное свидетельство сверхтекучего состояния. Продемонстрировав, можно сказать, таким образом, что при сверхнизких температурах вблизи абсолютного нуля свойствами сверхтекучести обладают все строительные блоки материи, как бозонной, так и фермионной природы.

В нобелевской лекции [4] Алексея Абрикосова (2003) вспоминается, среди прочего, что предсказанная им для сверхпроводников упорядоченная вихревая структура, похожая на кристаллическую решетку, поначалу воспринималась крайне скептически и коллегами-теоретиками, и, в особенности, физиками-экспериментаторами. Идею вихревых решеток пришлось принять, что называется, поневоле – лишь после того, как к середине 1960-х годов в лабораториях начал появляться инструментарий, позволяющий делать непосредственные снимки микроскопических процессов, происходящих в сверхпроводнике.

***

При этом, что характерно, в области гидродинамики регулярные и устойчивые вихревые решетки в те времена были хотя и не общеизвестным, но достаточно давно установленным фактом. Более чем за полвека до описываемых Абрикосовым событий, в том же 1900 году, когда Макс Планк заложил основы квантовой теории, молодой французский физик Анри Бенар (1874-1939) сделал другое, экспериментальное открытие, современниками почти незамеченное. Обнаруженное им явление, ныне известное как «ячейки Бенара», можно продемонстрировать с помощью совсем нехитрого оборудования, вроде сковородки с плоским дном и масла, налитого на ее дно тонким слоем.

При подогреве дна сковороды в однородном поначалу слое жидкости начинается диффузия и образуются конвективные потоки. Обычно этот процесс имеет вид довольно хаотический, однако Бенар установил, что при определенных соотношениях параметров – толщины слоя, площади поверхности, вязкости жидкости – конвективные потоки вдруг самоупорядочиваются и образуют регулярную, похожую на пчелиные соты структуру из ячеек правильной шестиугольной формы.

Внутри каждой такой ячейки жидкость поднимается по центру и опускается по граням, так что в целом поведение ячейки аналогично вихревому кольцу. Сегодня этот эксперимент чаще всего приводят в качестве одной из наиболее ярких иллюстраций для междисциплинарной теории диссипативных структур, занимающейся проблемами динамического хаоса и самоорганизации в природе. Физика ячеек Бенара, конечно, существенно отличается от физики решеток Абрикосова, однако бесспорное внешнее сходство получающихся в результате структур само наводит на мысли и о глубинном родстве этих явлений.

И уж если речь зашла о правильных шестиугольных ячейках конвекции, то никак нельзя обойти и весьма свежий пример из результатов космических исследований. Весной 2007 года агентство НАСА опубликовало5 новые снимки поразительного образования на северном полюсе Сатурна, сделанные зондом Cassini. Это образование в атмосфере гигантской планеты имеет форму правильного шестиугольника и по неизвестным причинам является чрезвычайно устойчивым, поскольку впервые было сфотографировано более четверти века тому назад – в ходе миссии космических зондов Voyager 1 и 2 в начале 1980-х годов. Шестиугольный полярный вихрь Сатурна имеет поперечный размер порядка 25 000 километров, так что на его площади могли бы уместиться почти 4 круга с диаметром планеты Земля. Причины формирования и устойчивости столь необычного объекта пока науке неизвестны. Наверное, должны помочь метеорологи…

←Ранее

↑На уровень вверх↑

Далее→

[1] A Friedman, «Über die Krümmung des Raumes», Zeitschrift für Physik, 10 (1922), 377-386.; A Friedmann, «Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung des Raumes», Zeitschrift für Physik, 21 (1924), 326-332.

[2] A. A. Abrikosov, Sovjet Physics — JETP 5, 1174 (1957)

[3] MW Zwierlein, JR Abo-Shaeer, A Schirotzek, CH Schunck, W Ketterle. «Vortices and superfluidity in a strongly interacting Fermi gas», Nature 435, 1047-1051 (June 2005)

[4] A. A. Abrikosov, «Type II Superconductors And The Vortex Lattice», Nobel Lecture, December 8, 2003

[5] «Cassini Images Bizarre Hexagon on Saturn», NASA-JPL Press Release, March 27, 2007