12.12.2008
На рисунке: Капля воды левитирует в магнитной трубе. С помощью электродов можно регулировать токи, которые вращают каплю. (Courtesy: Richard Hill).
Nonaxisymmetric Shapes of a Magnetically Levitated and Spinning Water Droplet. R. J. A. Hill and L. Eaves. Phys. Rev. Lett. 101, 234501 (2008).
Эксперименты, проведенные английскими учеными, позволят физикам лучше понять, как вращаются ядра, космические объекты в поясе Койпера и, наконец, черные дыры.
Поверхностное натяжение заставляет свободно падающую каплю принимать сферическую форму. Однако с ростом центростремительных сил вращающаяся капля принимает форму на эллипсоида, потом делится на две доли (как гантели), на три, четыре, .. пока не примет, в идеале, форму тора.
Более века назад бельгийский физик Джозеф-Антуан-Фердинанд Плато (Joseph-Antoine-Ferdinand Plateau) пытался сымитировать быстрое вращение планет и звезд с помощью вращающихся капель. Он пришел к выводу, что силы гравитации в таких массивных объектах могут действовать как поверхностное натяжение свободно плавающей капли жидкости. Он поместил каплю оливкового масла в смесь воды и спирта с почти такой же плотностью как у масла, что позволило «подвесить» каплю. Затем, вращая ее с растущей угловой скоростью, он наблюдал, что капля принимает форму эллипсоида, затем растягивается на две доли. Элегантный эксперимент Плато трудно сравнить с теорией из-за влияния окружающей жидкости. Недавно физики попытались преодолеть эту проблему, заставив каплю левитировать в воздухе с помощью звуковых волн. Они получили трехдольные капли, которые оказались очень нестабильными. Во время экспериментов, проведенных в космическом корабле на орбите, с другой стороны, получались двухдольные, а не трехдольные капли.
И, наконец, Ричард Хилл (Richard Hill) и Лоренс Ивз (Laurence Eaves) из Ноттингемского университета получили трехдольные капли воды в земных условиях с помощью диамагнитной левитации. Они «подвесили» капли внутри отверстия сверхпроводящего магнита в 16.5 Тесла, магнитное поле в котором быстро уменьшалось от центра сверхпроводящего соленоида.
Ученые использовали тот факт, что вода диамагнитна. Это означает, что под воздействием мощного магнита с изменяющимся в пространстве магнитным полем, капли повисают в воздухе – левитируют. Пара параллельных тонких электродов, между которыми течет электрический ток, заставляет капли вращаться. (Phys. Rev. Lett. 101 234501).
Физики наблюдали, как капли превращались в эллипсоиды, затем напоминали гантели. С помощью электродов они запускали волну вокруг капель, которая сдерживала образование двухдольной структуры, но стабилизировала трехдольную, которая все же быстро коллапсировала в двухдольную.
Хилл пока не готов объяснить стабилизирующий эффект волны, но указывает, что скорость вращения, при которой он запускал двух- и трехдольные структуры, соответствует теоретическим предсказаниям. Он считает, что исследование может привести к открытиям в других областях физики. В ядерной физике используется модель капли жидкости для описания ядра, а астрофизики недавно наблюдали быстро вращающиеся объекты в поясе Койпера, напоминающие эллипсоиды. Наши лабораторные эксперименты и наши модели можно использовать для исследований экзотических объектов на миниатюрных или, напротив, крупных масштабах.
В частности новое исследование могло бы доказать предположение космологов, что горизонт событий черной дыры действует как поверхностное натяжение. Витор Кардозо (Vitor Cardoso), физик из Технического университета Лиссабона и Университета Миссисипи считают, что черные дыры могут иметь мультидольные структуры в многомерном пространстве. «Ученые, которые занимаются теорией струн и общей теорией относительности, надеются отыскать в своих уравнениях решение, описывающее двух и трехдольные черные дыры», - говорит ученый.
http://www.nottingham.ac.uk/~ppzlev/flotation.html
http://physicsworld.com/cws/article/news/37042;jsessionid=42EAD21A315FE143155515E3CF98C783
