При майже найнижчій температурі – ртуть (за допомогою рідкого гелію) – утворює стан, який називається надпровідністю. У крайньому випадку, електрони без обтяжень протікають через те, що відомо як надплинність. Але як і чому надтекуча поведінка не підлягає поясненню. До цього часу…
У межах кількох градусів від абсолютного нуля за шкалою Кельвіна (мінус 273 за Цельсієм або мінус 460 за Фаренгейтом), рідкий гелій-4 переходить у чудовий надтекучий стан. Він крутиться, згортається, і його відсутність тіла спантеличує вчених протягом майже століття. Тепер команда під керівництвом фізика з Вашингтонського університету, використовуючи найпотужніший суперкомп’ютер, доступний для відкритої науки, створила теоретичну картину, яка пояснює поведінку надплинності в реальному часі. Хто тут відповідальний? Спробуйте субатомні частинки, які називаються ферміонами.
Феміони є значною частиною природного рівняння, як електрони, протони та нейтрони… так само, як надтекучі рідини є частиною нейтронних зірок. Обертаючись від одного до 1000 разів на секунду, нейтронні зірки – або пульсари – надплинна поверхня діє набагато інакше, ніж її аналог тут, на Землі. Зі збільшенням швидкості він утворює серію невеликих вихорів, які групуються в трикутну форму... яка, у свою чергу, утворює косу всередині надтекучої структури. «Коли ви досягнете правильної швидкості, ви створите один вихор посередині», — сказав Булгак. «І коли ви збільшуєте швидкість, ви збільшуєте кількість вихрів. Але це завжди відбувається поетапно».
Чи може наука його відтворити? Так. Лабораторним моделям, що використовують вакуумну камеру та лазерний промінь для створення високоінтенсивного електричного поля, вдалося охолодити невеликий зразок, можливо, 1 мільйон атомів, до температури, близької до абсолютного нуля. Потім використовується «лазерна ложка», щоб перемішувати надрідку рідину досить швидко, щоб створити вихори.
«Намагаючись зрозуміти дивну поведінку, вчені намагалися розробити описові рівняння, наприклад ті, які вони могли б використовувати для опису крутіння в чашці кави під час її перемішування». — сказав Булгак. «Але, щоб описати дію в надтекучій рідині з ферміонів, необхідна майже необмежена кількість рівнянь. Кожен описує, що станеться, якщо змінити лише одну змінну, наприклад швидкість, температуру чи щільність. Оскільки змінні пов’язані між собою, якщо одна змінюється, зміняться й інші».
Однією з головних проблем у формулюванні математичної гіпотези є кількість обчислювальної потужності, яка знадобиться для вирішення проблеми з низкою змінних змін, які досягли 1 трильйона або більше. Тож як вони це зробили? Команда використовувала комп’ютер JaguarPF в Національній лабораторії Ок-Рідж у Теннессі, один з найбільших суперкомп’ютерів у світі, еквівалентно 70 мільйонам годин, на що знадобилося б майже 8000 років на одноядерному персональному комп’ютері (JaguarPF має майже чверть -мільйон ядер). Просто спробуйте це охолодити!
«Це говорить про складність цих розрахунків і про те, наскільки це важко», – сказав Булгак. Ситуація ще складніша: чим швидше надтекуча рідина перемішується, вона втрачає свої властивості, але не так швидко, як припускається. «Ця робота означає, що дослідники можуть «в певній мірі» вивчати властивості нейтронної зірки за допомогою комп’ютерного моделювання». — сказав Булгак. «Це також відкриває нові напрямки досліджень у фізиці холодних атомів».
І ще домашнє завдання з нашого боку.
Оригінальне джерело історії: Вашингтонський університет .