Физики научились завязывать воду в узлы

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.

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.

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.

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.

Добавим, что в данном случае речь идёт не столько о более понятных для обычного человекападающих 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.

Источник: vesti.ru

Похожие новости:
Физики научились перемещать объекты по воде при помощи волн
Ученые из Австралии, Израиля и России научились с помощью волны перемещать объекты на поверхности воды. Результаты своего исследования авторы опубликовали в журнале Nature Physics, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Австралийского национального университета в Канберре. Специалисты с помощью волновых ..
2014-08-12 2162 0 Научные открытия
0
Телепатия: ученые научились читать мысли
Нейрофизиологи из США заявляют, что им впервые удалось достичь ощутимых успехов в чтении человеческих мыслей и передачи их на расстоянии. Ученые научились декодировать мозговые волны в текст. Таким образом, слова, которые люди произносят про себя, стало возможным увидеть на экране компьютера, ..
2012-02-1 3198 0 Научные открытия
0
Американские физики научились получать небывалую температуру
Американские физики попали в Книгу рекордов Гиннесса. Во время эксперимента им удалось получить вещество, разогретое до 4 триллионов градусов Цельсия — это в 250 тысяч раз больше, чем температура в центре Солнца! Учёные сталкивали в коллайдере разогнанные почти до скорости света ядра атомов золота. ..
2012-06-26 3798 0 Научные открытия
1
В МГУ создали оптический генератор нового поколения
Группа ученых физического факультета МГУ совместно с коллегами из Швейцарии разработала устройство, которое позволяет получать сверхкороткие оптические импульсы, а также СВЧ-излучение с рекордно низким уровнем помех. Подробности приведены в статье ученых для журнала Nature Photonics (доступен препринт), ..
2013-12-29 1895 0 Научные открытия
0
Физики научились управлять переохлажденными молекулярными газами
Физики из США и Сингапура впервые научились управлять квантовым состоянием молекулярного газа. Ученым не просто удалось охладить порядка двух тысяч молекул 23Na40K до сверхнизких температур, но контролируемо перевести эти частицы из основного квантового состояния в заданное. Работа опубликована в журнале Physical Review ..
2016-06-12 1276 0 Научные открытия
0
Ученые получили кристаллы из фрагментов молекул ДНК
Ученые США научились получать кристаллы на основе трехмерных структур из фрагментов молекул ДНК, сообщают авторы разработки. Такие кристаллы могут применяться, в частности, для синтеза новых наноматериалов для микроэлектроники и медицинских препаратов. Ведущий автор исследования, профессор Нед Симан (Ned ..
2012-09-23 1605 0 Научные открытия
0
Биологи научились отключать гены старения
Ученые обнаружили группу генов, удаление которых может привести к резкому увеличению продолжительности жизни. Результаты исследования, занявшего больше 10 лет, являются крупным прогрессом в генетике. Об итогах своей работы авторы рассказали в журнале Cell Metabolism, а кратко ..
2015-10-13 3767 0 Научные открытия
5
Ученые научились определять образы сновидения
По данным журнала Science Express, ученые из Японии смогли правильно определить зрительные образы с помощью томографии и компьютерного анализа, возникающие у человека в сновидениях.Опыты проводятся в лаборатории в Киото. Ученые сканируют активные участки мозга  в первые мгновения сна, при помощи ..
2013-04-10 1611 0 Научные открытия
-1
Российские ученые готовят энергетический прорыв
Российские ученые научились получать электричество из того, на что мы обычно не обращаем внимания: в мини-электростанции превращают обувь, ковры и выключатели. Уже сейчас в проектах находится создание самоосвещающихся дорог, а в перспективе с помощью новых разработок планируется создать практически вечный двигатель.Источник: vesti.ru ..
2012-10-30 2666 0 Научные открытия
0
Ученые смогли включить нейрогенез в поврежденном спинном мозге
Биологи из Медицинского центра Университета Техаса научились включать в поврежденном спинном мозге процесс перепрограммирования клеток глии в новые нейроны. Работа ученых опубликована в журнале Nature Communications, кратко о ней можно прочитать в пресс-релизе центра. Заставить дифференцированные астроциты взрослых ..
2014-02-27 1620 0 Научные открытия
0
Ученые определили, когда живые организмы начали видеть
Ученые из Великобритании и Ирландии заявили, что организмы научились различать свет раньше, чем считалось ранее. К таким выводам ученых привел анализ генов, отвечающих за производство светочувствительных белков опсинов, и компьютерное моделирование их развития у живых существ.Ранее среди ученых не было ..
2012-11-1 1943 0 Научные открытия
0
Микробиологи обнаружили у вирусов иммунную систему
Совсем недавно журнал Nature сообщил, что микробиологи из США  нашли у одного из вирусов аналог иммунной системы. Вирус имеет белок, который подавляет защиту бактерий, заражаемых этим вирусом. Как пояснили ученые,  этот участок является своеобразной иммунной ..
2013-03-2 1582 0 Научные открытия
-1
Ученые IBM научились управлять спином электронов
Ученые из из IBM Research и Лаборатории физики твердого тела в ETH Zurich продемонстрировали новую технологию, с помощью которой можно управлять спином, направлением вращения электрона, и заставить перемещаться электроны, соблюдая строгий установленный порядок. При этом, время фиксации спина электронов ..
2012-08-21 1750 0 Научные открытия
1
Ученые научились восстанавливать нервные клетки
Британские ученые из Шеффилдского университета впервые смогли восстановить слух (частично восстановить нервную ткань, через которую в мозг поступают звуковые сигналы) при помощи стволовых клеток. Как сообщается в статье из журнала Nature, ученые проводили эксперименты на подопытных мышах, ..
2012-09-18 2102 0 Научные открытия
0
Ученые предотвратили глухоту, передаваемую по наследству
Генетики научились лечить довольно серьезное заболевание — синдромом Ушера, который вызван дефектами в генетическом коде. Синдром вызывает у пациентов проблемы со слухом, зрением и чувством равновесия. Часто дети, рожденные с таким диагнозом, вскоре слепнут, а потом ..
2013-02-7 1431 0 Научные открытия
0