Главная Общество Наука

Последняя нерешенная проблема классической физики близка к решению благодаря сверхтекучему гелию

Ричард Фейнман (крупнейший американский ученый, занимавшийся, в частности, проблемами сверхтекучих жидкостей, популяризатор физики, известный нашему читателю прежде всего, пожалуй, по полуанекдотическим историям из своей жизни) однажды назвал турбулентность последней большой нерешенной проблемой классической физики. Это кажется невероятным, но теории гидродинамической турбулентности в завершенном виде не существует до сих пор, созданы только так называемые полуэмпирические теории турбулентности. Вообще это является одной из важнейших проблем современной теорфизики. Теперь сделан важный шаг в описании турбулентности в сверхтекучем гелии-3, что может помочь, наконец, в решении проблемы турбулентности и в обычных жидкостях (впрочем, возможно, в рамках классической физики эта задача и не имеет решения).

Поток классической жидкости описывается безразмерным числом, называемым числом Рейнольдса. Этот поток превращается из ламинарного (ровное гладкое регулярное устойчивое течение) в турбулентный (когда в течении присутствуют вихри гораздо меньшего размера, чем размеры трубы), если это число Re, которое зависит не только от скорости потока, но и от других его характеристик, превышает некоторое значение (Re = характерная скорость движения жидкости * характерные размеры течения / кинематическая вязкость жидкости).

Антти Финне (Antti Finne) из Хельсинского технологического университета (Low Temperature Laboratory in Helsinki) с помощью коллег из Японии, Финляндии, Нидерландов, России и Чешской республики обнаружил новый критерий инициации турбулентности в сверхтекучем гелии-3 (³He), который не зависит от скорости. Сверхтекучий гелий состоит из двух компонентов: "нормальная" часть, имеющая ненулевую вязкость и сверхтекучий элемент, текущий без трения (вязкость равна нулю - это так называемая двухжидкостная модель, связанная с именем нашего замечательного теоретика Льва Ландау). Гелий-3 становится сверхтекучим, когда он охлажден до 2,7 милликельвинов, и входит в так называемую "B-фазу", когда охлажден ниже критической температуры в 2,2 милликельвинов.

Другой особенностью сверхтекучих жидкостей является то, что вращательные движения внутри них - топологически устойчивые вихревые витки - являются проквантованными, то есть могут принимать только набор определенных значений. Финне и его сотрудники воспользовались методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для того, чтобы исследовать зависимость поведения таких "петель" вихря от температуры.

Выяснилось, что для температур, превышающих критическую на 60 % ( 1,60Tc, где Tc - переходная температура для сверхтекучести), эти петли росли, пока не занимали весь объем сосуда. Однако при температурах ниже 60 % от критической вихревые витки срывались в турбулентную путаницу, хотя в конечном счете разглаживались, затухали (в случае обычных жидкостей распад турбулентности происходит благодаря дроблению вихрей - запасенная энергия в конце концов рассеивается за счет вязкого трения). Числовое моделирование показало, что ответственным за турбулентность может быть рост на петлях так называемых волн Кельвина ("вкрапленных" в ламинарный поток турбулентных пятен, иначе говоря, вторичной неустойчивости). Скорее всего, все это определяется внутренними параметрами сверхтекучих жидкостей, а именно взаимным трением между нормальным и сверхтекучим компонентами потока, что и является причиной затухания движения в вихре.

Источники:
Turbulent breakthrough in superfluid helium - PhysicsWeb
An intrinsic velocity-independent criterion for superfluid turbulence - Nature

Ссылки:
Турбулентность и детерминированный хаос - Дмитрий Трубецков
Турбулентность - Школьник.Ру
Затухание турбулентности в сверхтекучей жидкости - Scientific.ru

Справка

Турбулентность

При малых скоростях наблюдается упорядоченное течение жидкости (газа), при котором жидкость (газ) перемещается как бы слоями, параллельными направлению течения. Такое течение называется ламинарным. С увеличением скорости в некоторый момент режим течения меняется, оно становится турбулентным. Необычность явления заключается в том, что картина течения жидкости изменяется во времени, даже если внешние условия постоянны. Например, в турбулентном течении в трубе при неизменном перепаде давления на концах трубы скорость жидкости в любой точке пульсирует, меняется во времени. При таком течении жидкости или газа отдельные элементы течения совершают неустановившиеся движения по сложным траекториям. В таких течениях образуются многочисленные вихри различных размеров, поэтому скорость частиц, температура, давление, плотность меняются при переходе от точки к точке и во времени не регулярно. Это приводит к интенсивному перемешиванию вещества. Из-за вязкости кинетическая энергия движения жидкости постепенно переходит в тепло.

Школьник.Ру

Статья

Последняя нерешенная проблема классической физики близка к решению благодаря сверхтекучему гелию

Это кажется невероятным, но теории гидродинамической турбулентности в завершенном виде не существует до сих пор, созданы только так называемые полуэмпирические теории турбулентности. Вообще это является одной из важнейших проблем современной теорфизики. Теперь сделан важный шаг в описании турбулентности в сверхтекучем гелии-3, что может помочь, наконец, в решении проблемы турбулентности и в классических жидкостях.

Статья

Разрешена одна из загадок космических лучей

Казалось бы, в одной-единственной цифре не может быть ничего выдающегося, однако это позволило не только разрешить споры о месте рождения пульсара и определить размер его нейтронной звезды (а стало быть, уточнить физическую модель этого объекта), но и, возможно, открыть одну из важнейших тайн космических лучей.

Статья

Копейкина опровергают американцы, но Эйнштейн пока не пострадал

Альберт Эйнштейн, возможно, был прав, постулировав, что скорость гравитации равна скорости света, но вопреки заявлению Копейкина и Фомалонта, сделанному ими в самом начале этого года, это положение все еще не доказано экспериментально. Очередной удар по позициям нашего соотечественника Сергея Копейкина нанесли специалисты из Лаборатории Беркли.

Статья

Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе

90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.

Статья

Астрономы обнаружили "потерявшиеся" барионы

Астрономы обнаружили новый тип разогретого межгалактического газа, с помощью которого можно локализовать невидимое присутствие темного вещества во Вселенной. Газовое облако, в триллион раз массивнее, чем наше Солнце, и в 150 раз более горячее, окружает нашу местную группу галактик, в которую входит Млечный путь, туманность Андромеды и еще приблизительно 30 мелких галактик.

Статья

Теория относительности топит субмарины

Бразильский физик решил задачку, "подброшенную" релятивистской теорией, так называемый "парадокс субмарины". Для разбора этого "парадокса" пришлось использовать Общую теорию относительности и включить в решение эффект искривляющих пространство гравитационных сил, получив своеобразный модифицированный релятивистский закон Архимеда.

Статья

Темная энергия уходит в тень: получено новое свидетельство существования антигравитации

Астрономы Слоановского цифрового обзора неба объявили о получении еще одного независимого свидетельства существования таинственной темной энергии. Исследователи нашли своеобразный отпечаток темной энергии (или, как они называют это явление, "тень" темной энергии) путем изучения корреляций между изображениями миллионов галактик, полученных в ходе реализации программы SDSS, и картой распределения вариаций температуры реликтового излучения, "нарисованной" зондом WMAP.

Статья

"Твикинг" гравитации покончит с потребностью в странных силах

Факт существования темной энергии, казалось бы, однозначно подтвержден наблюдениями за удаленными сверхновыми и экспериментами с микроволновым космическим фоном. Однако теперь группа американских физиков показывает, что факт непрерывно ускоряющегося расширения Вселенной, который лег в основу подобной гипотезы, можно объяснить и не призывая на помощь мистическую "дарк энерджи".

Статья

Впервые удалось измерить скорость гравитации

Впервые с приемлемой точностью удалось измерить скорость гравитации. Измерялось небольшое видимое изменение позиции квазара, вызванное изгибом пути радиоволн от этого источника в поле тяготения Юпитера. Результат важен с точки зрения "закрытия" некоторых вариантов современных теорий и поддержки других - он связан с космологическими теориями множественных вселенных и так называемой теории струн или суперструн.

Статья

Постоянство гравитационной постоянной G под сомнением

Новый эксперимент швейцарских физиков, поставленный для уточнения значения гравитационной постоянной G, прибавил весомости довольно спорной теории, согласно которой на силу гравитации оказывает влияние магнитное поле Земли.

Статья

Экспериментаторы ищут новые силы, предсказанные теориями суперструн

Самый чувствительный на настоящее время эксперимент по оценке гравитационного взаимодействия на сверхмалых расстояниях не дал новых козырей в руки сторонников теории суперструн. Но, несмотря на все это, идеи дополнительных измерений становятся необычайно популярными в связи с кризисом стандартных физических моделей, не способных объяснить новые наблюдения - ускоренно расширяющейся Вселенной, в которой царит темная энергия.

Статья

Физики надеются обнаружить изменение фундаментальных констант со временем

Две группы физиков на протяжении последних лет провели целый ряд аккуратных экспериментов в надежде обнаружить непостоянство природных констант, до сих пор считавшихся не изменяющимися со временем. До настоящего момента данные на эту тему добывались астрофизическими методами и указывали на возможность подобных вариаций.

Статья

Галилея снова осуждают за пропаганду гелиоцентрической системы

Известному канадскому журналисту и эссеисту Уэйду Роуленду апология Галилея кажется надуманной. Он настаивает на правоте в историческом споре именно католической церкви. Даже с точки зрения заядлых ревизионистов тезисы Роуленда кажутся порой излишне смелыми. Ведь в 1992 году сама церковь в лице папы Иоанна Павла II признала, что изрядно погорячилась, осуждая Галилея.