Физики научились завязывать воду в узлы

В отличие от узлов, которыми можно завязать шнурки, математические и физические узлы не имеют концов, а значит, не могут быть развязаны

(фото Dustin Kleckner, William T. M. Irvine).

Так мог бы выглядеть узел трилистник из воды, если бы он был создан в реальности

(фото Dustin Kleckner, William T. M. Irvine).

Пластиковая модель узла

(фото Dustin Kleckner, William T. M. Irvine).

Создание и всплывание узла из воды

(фото Dustin Kleckner, William T. M. Irvine).

Реконструкция потоков вблизи узла трилистника. Белым цветом показано наблюдаемое движение пузырьков, а красным и синим − восстановленная физиками картина

(фото Dustin Kleckner, William T. M. Irvine).

Спустя 100 лет после того, как учёные озвучили возможность завязывания воды в узлы, физики придумали и осуществили подобный эксперимент в лаборатории. Отдельного внимания заслуживает способ, при помощи которого исследователи смогли определить, что собственно происходит в жидкости.

Впервые о связанных "кольцевых вихрях" в 1860-х годах заговорил лорд Кельвин. Он предположил, что атомы представляют собой своеобразные торнадо, скрученные в замкнутые петли и завязаны вокруг самих себя. В представлении Кельвина всё пространство пронизывала некая жидкость − эфир. В ней каждый атом представлял собой какой-то узел.

Впрочем, "периодическая таблица химических элементов Кельвина" не была нигде опубликована и, как следствие, признана. Но идеи лорда привели к расцвету математической теории узлов, являющейся частью топологии. Позднее учёные пришли к выводу, что узлы имеют большое значение и в некоторых физических процессах.

Так мог бы выглядеть узел трилистник из воды, если бы он был создан в реальности (фото Dustin Kleckner, William T. M. Irvine).

Конечно, создать узел из воды, мягко говоря, не так просто, как из шнурка для ботинок, отмечают физики университета Чикаго Дастин Клекнер (Dustin Kleckner) и Уильям Ирвин (William Irvine). Хотя бы потому, что подобные узлы не имеют начала и конца как шнурок. Простейшие примеры подобных структур: узел трилистник и связь Хопфа (Hopf link).

Для того чтобы связать в подобный узел водяной поток, необходимо скрутить его в определённой области жидкости. Клекнер и Ирвин создали подобные структуры в воде при помощи напечатанных на 3D-принтере моделей узлов, которые на срезе имели форму крыла самолёта или подводного крыла.

Пластиковая модель узла (фото Dustin Kleckner, William T. M. Irvine).

Многим известно, что крыло самолёта заставляет потоки воздуха в атмосфере вращаться, закручиваться в виде вихрей. Благодаря происходящим при этом процессам появляется подъёмная сила, которая заставляет самолёт взмывать в небо. Когда же крыло начинает резко останавливаться, образуются два вихря, которые раскручиваются в противоположных направлениях.

Американские исследователи поместили свои пластиковые модели узлов в бак с водой и придали им внезапное ускорение для создания завязанной структуры.

Создание и всплывание узла из воды (фото Dustin Kleckner, William T. M. Irvine).

Но как проверить, что в реальности физики получили именно то, что хотели? Проявить узлы в воде помог особый метод визуализации. Обычно для понимания, как движутся потоки в жидкости, учёные используют красящие вещества. Ирвин и Клекнер ввели в систему маленькие пузырьки газа, которые направлялись к центру завязанного вихря выталкивающими силами, производимыми движением пластиковых заготовок.

Высокоскоростной лазерный сканер, который делал снимки жидкости 76 тысяч раз в секунду, помог учёным понять, как двигались пузырьки. Реконструировав происходящее, физики увидели и узлы. В дальнейшем учёные хотят попробовать создать из воды более сложные структуры.

"Авторы работы добились больших успехов, визуализировав завязанные вихри", — комментирует достижение американцев физик Марк Дэннис (Mark Dennis) из университета Бристоля, который в своё время смог завязать в вихри световые лучи.

Последнее исследование, по его мнению, делает абстрактные рассуждения о физических процессах с участием узлов в идеи, которые можно будет проверить в лабораторных условиях.

"Завязанные в узлы вихревые потоки – идеальная модельная система, позволяющая нам во всех подробностях изучить самостоятельное распутывание узлов в реальных физических процессах", — говорит Ирвин.

Реконструкция потоков вблизи узла трилистника. Белым цветом показано наблюдаемое движение пузырьков, а красным и синим − восстановленная физиками картина (иллюстрация Dustin Kleckner, William T. M. Irvine).

Добавим, что в данном случае речь идёт не столько о более понятных для обычного человека падающих верёвках, спагетти и льющемся мёде или движении волос в конском хвосте. Речь о более сложных процессах. Связанные вихри присутствуют в разных областях физики. Так учёные, изучающие элементарные частицы, предположили, что глюболы (glueball) — гипотетические агломераты глюонов — частиц, связывающих кварки для образования фотонов и нейтронов, — представляют собой плотно завязанные квантовые поля.

Кроме того, недавно астрономы показали, что расслабляются ("развязываются") завязанные магнитные поля, которые могут отвечать за перенос тепла в солнечную корону или внешнюю атмосферу светила. Этот процесс объясняет, почему плазма в этой области звезды гораздо горячее, чем на поверхности.

Разработка физиков из Чикаго также поможет понять сверхпроводимость, сверхтекучесть жидкости и поведение жидких кристаллов

Также по теме:
Физики научились изгибать лучи света под любым углом 
Физики создали "невозможную" линзу для гамма-лучей 
Уникальный оптический эффект позволяет рыбам становиться невидимыми 
Физики изучили ультратонкий материал, останавливающий пули на лету