Необычное поведение гигантских водяных капель, подвешенных в специальном «антигравитационном» устройстве, как полагают британские учёные, поможет им по-новому взглянуть на свойства чёрных дыр. Экзотический опыт провели исследователи из университета Ноттингема.
Физики подвесили капли воды в сильном магнитном поле, созданном сверхпроводящей катушкой. Благодаря диамагнетизму в воде создавались поле, противоположное внешнему, и, соответственно, сила, компенсирующая вес капли.
Интерес для учёных, впрочем, представлял не сам факт «подвеса», а дальнейшие опыты с левитирующей жидкостью. В неё погружали два тонких электрода и пропускали электрический ток.
Взаимодействие тока с полем приводило к раскручиванию воды. «Фактически мы превратили каплю в электрический двигатель», — заявил один из авторов работы Ричард Хилл (Richard Hill).
При подвешивании капли с поперечником в один сантиметр (в такой искусственной невесомости это было реальным) и достижении ею темпа вращения примерно в три оборота в секунду экспериментаторы наблюдали эффект, никогда не фиксировавшийся ранее: на виде сверху капля становилась треугольной и, что принципиально важно, оставалась стабильной, пока не менялись условия.
При других скоростях наблюдались двухсторонняя (нечто вроде колбы, вертящейся лёжа на боку), квадратная (конечно, со скруглёнными углами), пятиугольная и другие формы капли, предсказываемые теорией.
Причина — взаимодействие сил поверхностного натяжения и центробежных сил, сложная динамика воды в капле, которая при каждой фиксированной частоте вращения стремится занять наиболее выгодную, с низким «энергетическим состоянием» форму.
В предыдущих схожих опытах, в которых капли подвешивались акустическим воздействием, стабильных форм при вращении наблюдать не удавалось, отмечают учёные.
А вот в данном эксперименте важным элементом оказались электроды и наводимый ими ток — вокруг электродов формировались микроскопические потоки воды, генерирующие на поверхности капли крошечные волны, по-видимому, и способствующие стабилизации формы.
Витор Кардозо (Vitor Cardoso) из университета Миссисипи (University of Mississippi) прокомментировал достижение британцев так: «Прорыв в этой работе заключается в воспроизведении в простом настольном эксперименте 100-летней теоретической работы по гидродинамике».
Физики же из Ноттингема объясняют, что опыт с каплями — шаг к пониманию сил, действующих как в масштабе атомного ядра, так и в космологических масштабах. Ведь по своему характеру силы гравитации и сильное ядерное взаимодействие во многом напоминают силы поверхностного натяжения, то есть ведут себя сходным образом.
Некоторые учёные считают правомерной такую аналогию: горизонт событий чёрной дыры — это некая поверхность, или мембрана, в которой действуют силы поверхностного натяжения (об этом говорит и Хилл).
Потому изучение стабилизации вращающейся капли, принимающей ту или иную форму, мол, поможет лучше узнать о свойствах быстровращающихся чёрных дыр.
Любопытно, что другие аспекты «работы» чёрной дыры (излучение Хоукинга в частности) физики как-то тоже смоделировали при помощи воды, да ещё в целом бассейне. Да и за опытами с другими левитирующими каплями мы уже как-то следили – только это были расплавленные металл и стекло.
Детали же новой работы можно найти в статье в журнале Physical Review Letters, но за странным поведением крупных вертящихся капель лучше понаблюдать своими глазами.
