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:
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 4170 0 Научные открытия
1
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 2465 0 Научные открытия
0
Физики научились управлять теплом при помощи магнитов
Американские физики сообщили о новом способе управления потоками тепла с помощью магнитов. Результаты исследований авторы опубликовали в журнале Nature Materials, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Университета штата Огайо. В своем эксперименте ученые использовали миниатюрный ..
2015-03-26 4226 0 Научные открытия
1
Физики нашли бозон Хиггса
Физики установили факт существования бозона Хиггса - недостающего элемента в цепочке объяснения мироздания, сообщает РИА Новости. По данным агентства, в блогах ученых об этом говорится как о свершившемся факте, участник исследований, сотрудник НИИ ядерной физики МГУ Эдуард Боос сказал, что после ..
2012-06-19 3702 2 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 2191 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 1569 0 Научные открытия
0
Специалисты CERN впервые записали спектр антиводорода
Знаковый эксперимент по изучению антиматерии провели физики, работающие в коллаборации ALPHA на Большом адронном коллайдере (БАК). Учёные впервые в мире научились определять свойства антивещества, изучать структуру атомов антиводорода. Напомним, что в мае 2011 года специалисты рапортовали о рекордном удержании ..
2012-03-12 2588 0 Научные открытия
0
Физики снизили скорость света
Британские физики сообщили о наблюдении фотонов, которые перемещаются в вакууме со скоростью, меньшей чем скорость света. О результатах своих экспериментов ученые сообщили в журнале Science, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте New Scientist. Скорость света в вакууме является фундаментальной физической ..
2015-01-24 3212 0 Научные открытия
0
В жидкой воде нашли квазичастицы твердых тел
Исследователи из Университета Стоуни-Брук с помощью компьютерного моделирования показали, что вода по своим молекулярным свойствам больше похожа на лед, чем считалось ранее. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.Твердые тела и жидкости отличаются друг от друга рядом свойств. Одно ..
2016-01-26 1951 0 Научные открытия
0
Физики создали волокна для лазерной ткани
Физики из Итальянского технологического института в Арнесано научились получать нановолокна, которые могут выступать в роли рабочего тела лазера. В будущем эти волокна могут стать основой «лазерной ткани». Исследование выложено в виде препринта в архиве Корнельского университета, кратко ..
2013-12-18 1863 0 Научные открытия
0
Физики научились телепортировать энергию
Сначала они телепортировали протоны, затем атомы и ионы. А теперь один физик открыл способ, который позволяет проделать это с энергией. Данное открытие имеет большое значение для будущего физики. В 1993 году, Чарли Беннетт из Исследовательского Центра IBM имени Уатсона ..
2013-12-9 3025 0 Научные открытия
0
Учёные США создали "временной провал"
Американские военные на шаг приблизились к тому, чтобы подобно героям фантастических фильмов "прятаться" во времени. Впервые в истории исследователям удалось создать временной провал, события в котором невозможно отследить ни человеческим глазом, ни даже специальными приборами, сообщает Nature. Учёные из Корнельского ..
2012-01-11 3819 0 Научные открытия
0
Темную энергию связали с началом коллапса Вселенной
Физики из Калифорнийского университета в Дэвисе и Ноттингемского университета предложили модификацию общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, следствием которой является коллапс Вселенной в будущем, а также описали механизм этого процесса. Результаты своих исследований авторы опубликовали в двух ..
2015-04-02 4899 0 Научные открытия
-2
Физики завязали солитоны в квантовые узлы
Физики из университета Аалто, Финляндия, и Амхертского колледжа, США, создали узловые солитонные волны в квантовом поле сверхтекучего газа, называемого конденсатом Бозе-Эйнштейна. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics.Конденсат Бозе-Эйнштейна — это агрегатное состояния вещества, наряду с известными ..
2016-01-25 2119 0 Научные открытия
0
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 2042 0 Научные открытия
1