Живая физика сверхтекучести (и причем тут гравитация)

(Октябрь 2018, текст  idb )

Если анализировать новости науки методами OSINT, то есть разведки открытых источников информации, то происходит занятная вещь. Обнаруживается, что самое интересное в новых открытиях – это то, о чем упоминают мимоходом или вообще предпочитают умалчивать…

За последние три-четыре года учеными сделан целый ряд весьма примечательных открытий в пока еще совсем новой и малоизведанной области исследований, носящей название физика активной материи. Чуть иначе то же самое часто именуют «живая материя». [r1][r2]

Суть особо интересующих нас открытий заключается в том, что практически одновременно сразу на двух направлениях – экспериментально и теоретически – удалось продемонстрировать, каким образом живая материя при комнатной температуре воспроизводит феномен сверхтекучести. То есть давно известное, но по-прежнему во многом загадочное физическое явление, обычно наблюдаемое в квантовых жидкостях лишь при очень низких температурах около абсолютного нуля.

Жизнь и физика активной материи

Дабы лучше понимать, в чем именно заключаются особенности и важность нынешних открытий, прежде имеет смысл чуть поближе познакомиться с собственно новой областью исследований. Потому что живая или активная материя – это, во-первых, довольно специфическая форма существования вещества, в прежние времена для фундаментальной физики практически никакого интереса не представлявшая.

Во-вторых же, и это самое главное, активная или живая материя по сути дела во всех своих проявлениях демонстрирует такую физику, которая НЕ является ни классической-ньютоновой, ни квантово-механической. То же самое можно сформулировать и по-другому. Базовые элементы живой материи находятся полностью в области физики классической, но при этом демонстрируют в макро-масштабе разнообразные феномены микро-физики квантовой. Причем внешне феномены живой материи нередко выглядят как очевидное нарушение фундаментальных догм в основах физической науки – вроде законов сохранения или начал термодинамики…

Факты конфликтов с догмами, впрочем, ученые предпочитают не афишировать, дабы без помех продолжать занятия своей наукой, а не отбиваться от беспочвенных обвинений в ереси. Абсолютно беспочвенных обвинений, следует подчеркнуть, поскольку чуть более глубокий разбор подобных феноменов позволяет показать, что никаких посягательств «на святое» тут нет. Дабы не запутывать картину нюансами и деталями, исследователи живой материи просто предпочитают всегда заранее подчеркивать, что вовсе не занимаются антинаучными чудесами, а работают полностью в рамках общепринятых законов физики.

Что же включает в себя интересующая нас область исследований под общим названием «активная материя»? В первую очередь, это широкое разнообразие биологических систем – начиная от гелей-цитоскелетов живых клеток, смесей клеточных экстрактов или бактериальных растворов-суспензий, и вплоть до коллективного поведения роя пчел, косяков рыб или больших птичьих стай.

Другая обширная часть той же области – это «формально-не-живая» активная материя, характерные особенности которой стабильно отмечаются в следующих условиях. В подвергаемых регулярным вибрациям гранулированных материалах и вязких жидкостях. В коллоидных растворах, где наномасштабных размеров частицы способны самостоятельно двигаться сквозь жидкость из-за каталитических реакций, происходящих на их поверхности. В скоплениях роботов, наконец, где самопроизвольно порождаются взаимодействия типа роевого поведения насекомых или стаи животных.

Наиболее общая характеристика, объединяющая все эти весьма разные среды и материалы в совокупную группу «живой активной материи» заключается в том, что все они состоят из самодвижущихся компонентов. Или иначе, из активных частиц, каждая из которых способна преобразовывать запасенную или внешнюю свободную энергию в собственные систематические движения.

Постоянные взаимодействия активных частиц не только друг с другом, но и со средой, в которой они обитают, порождают две, как минимум, очень важные особенности живой материи. Во-первых, активные частицы демонстрируют высоко согласованные (или скоррелированные, как выражаются ученые) коллективные формы движения. И во-вторых, они порождают необычные, зачастую весьма неожиданные механические перемены, напряжения и флуктуации в той среде, где обитают.

По этим причинам всюду, где традиционная физика подразумевает для обычной инертной материи стремление к состоянию термодинамического равновесия, материя активная ведет себя в корне иначе – на фундаментальном уровне всегда находясь от термодинамического равновесия настолько далеко, насколько это вообще возможно. Более того, жизнь активной материи принципиально отличается и от поведения обычных неравновесных систем, физика которых за последние полвека изучена весьма глубоко.

В обычных неравновесных системах та энергия на входе, что выводит систему из термодинамического равновесия, поступает извне где-то на границах системы. Что же касается активных неравновесных систем, то для всех из них отличительной и определяющей особенностью является тот факт, что здесь подвод энергии происходит «изнутри» и сугубо индивидуально – на уровне каждой отдельной частицы. Каждая активная частица живой материи сама потребляет и сама рассеивает энергию, проходя через внутренние обменные циклы, в целом приводящие к движению элемента.

Благодаря перечисленным особенностям, системы активной материи демонстрируют множество интригующих неравновесных свойств. Таких, в частности, как появление крупных эмерджентных структур с коллективным поведением, которое качественно отличается от поведения элементов по отдельности. Список прочих примечательных свойств весьма обширен, для общего же представления достаточно упомянуть лишь некоторые из них.

Чередующиеся переходы между состояниями порядка и беспорядка, причудливые статистики флуктуаций, формирование специфических паттернов-структур на промежуточных масштабах, волновое распространение возмущений и сохранение осцилляций в такой системе, где инерция в прямом физическом смысле этого слова по сути отсутствует. Наконец, необычные перемены в механических и реологических (связанных с текучестью) свойствах материи, о чем и будет более подробный рассказ далее…

Парадокс сверхтекучести в густой жидкости

Особенно ярким примером той новой физики, которую способна демонстрировать живая материя, в 2015 году стало открытие феномена сверхтекучести – то есть движения без трения – в густых бактериальных растворах. Поскольку устоявшиеся термины «сверхтекучесть, супержидкость» с одной стороны и «вязкая жидкость суспензии» со стороны другой в физике воспринимаются как вещи, по смыслу прямо противоположные, то несложно ухватить игривый юмор первооткрывателей, французских ученых из университета Париж-Юг, подчеркнуто парадоксально озаглавивших свою публикацию так: Превращение бактериальных суспензий в «супержидкость» [prl15]. Для людей без чувства юмора, вероятно, слово супержидкость на всякий случай заключили в кавычки.

В независимости от того, корректными или нет воспринимаются кем-то подобные игры в слова, суть результатов, полученных учеными в Paris Sud и за прошедшее время подтвержденных в других лабораториях мира, была и остается вполне определенной. И заключается эта суть в том, что колония обычных бактерий при надлежащих условиях опыта способна превращать свою среду обитания – ту вполне обычную подслащенную воду, в которой микроорганизмы живут и кормятся – в нечто крайне необычное и удивительное. В такую «супержидкость», которая в самых строгих условиях физического эксперимента демонстрирует свойства сверхтекучести. Или, выражаясь более аккуратно, свойство снижения вязкости жидкости вплоть до нуля. А в отдельных случаях – и совсем поразительный переход в область вязкости отрицательной, когда жидкость становится самодвижущейся, бросая вызов законам термодинамики…

Живой основой для данных опытов выступила бактерия Escherichia coli или покороче E. coli, в науке давно выступающая в качестве «модельного организма» современной микробиологии, а в повседневном быту людей более известная как «кишечная палочка». Физические эксперименты с этими и другими микроорганизмами, способными активно плавать в воде, уже и раньше демонстрировали, что жидкость при добавлении таких «частиц» становится более скользкой и подвижной. А не наоборот, более вязкой и трудной для перемешивания, что характерно для обычных суспензий – вроде водяного раствора глины, к примеру.

Главной заслугой французских исследователей стало то, что им удалось провести систематическое изучение и тестирование важных идей, для подтверждения которых очевидно недоставало экспериментальных данных. Существенным подспорьем в этом деле стал не совсем обычный прибор – довольно древний аппарат-реометр для измерения вязкости жидкостей, несколько модернизированный учеными под актуальные задачи биофизики. Опора на старинный прибор понадобилась по той причине, что все из доступных современных аппаратов такого типа, как выяснилось, не годятся для аккуратного измерения параметров у жидкостей малой вязкости.

Располагая измерительной аппаратурой необходимой точности, ученые показали, что в условиях бактериальной суспензии вязкость жидкости действительно стабильно – и в линейной зависимости – снижается вместе с повышением концентрации бактерий в растворе. Применявшийся реометр (low-shear rheometer Contraves LS-30) измеряет вязкость в условиях, когда жидкость помещают в пространство между двумя соосными цилиндрами, а затем один из цилиндров вращают, фиксируя ту силу, с которой жидкость через трение воздействует на цилиндр второй.

При определенной концентрации бактерий было установлено, что никакого воздействия силы не возникает вообще. Иначе говоря, был достигнут уровень нулевой вязкости или «сверхтекучести» жидкости. Ну а самое интересное, что далее отмечались и такие ситуации, когда неподвижный цилиндр приходилось уже специально удерживать от движения в противоположном направлении. Формулируя то же самое иными словами, теперь уже сверхтекучая активная жидкость совершала работу – сама приводя цилиндр в движение благодаря своей отрицательной вязкости…

Понятно, что внешне это выглядит как очевидное нарушение законов термодинамики, запрещающих подобные «самодвижущиеся» феномены для обычных инертных жидкостей. Важнейший нюанс заключается здесь в том, что активная жидкость никаких законов физики не нарушает, поскольку работу здесь совершают бактерии, движущиеся лишь тогда, когда в воде достаточно пищи и кислорода для их движения. Если же бактерии в воде мертвые, то никакого чуда не происходит – проверено экспериментально…

Но есть, однако, в этом объяснимом наукой чуде еще один весьма интересный и трудный для понимания нюанс. Все живые бактерии обычно движутся в растворе сами по себе – абсолютно хаотически и в разные стороны. А для того, чтобы крошечные и очень слабые по отдельности бактерии были способны на «аномальное вращение» цилиндра в приборе, они непременно должны двигаться взаимно согласованно друг с другом. Каким образом может быть устроен этот механизм совместных движений с высоким уровнем корреляции, на этот вопрос французские ученые в своей статье даже не пытались ответить, оставив его решение для будущих исследований.

Две важных и независимых друг от друга работы именно такого рода были опубликованы почти одновременно летом 2018.

Вихри, токи и противотоки в активном жидком кристалле

Один из содержательных экспериментальных ответов на вопросы о том, как может быть устроено столь удивительное коллективное поведение бактерий в воде, предоставило исследование от команды ученых, работающих в Университете Миннесоты, США, и в Пекинском центре научных расчетов. В июле 2018 их совместная работа на данный счет была опубликована в Трудах Национальной академии наук США под названием «Сдвиговые полосы и роевые вихри в бактериальных супержидкостях». [pnas18]

Можно сказать, что экспериментальная установка китайско-американской команды отчасти напоминала опыты команды французской, расширяя стандартные методы измерения вязкости с помощью дополнительных биофизических модификаций. Конкретно в данном случае был добавлен конфокальный микроскоп, позволивший в подробностях отслеживать поведение бактерий, а сами бактерии были помечены флюоресцентным веществом для повышения контрастности картины.

Для таких измерений перемен в вязкости раствора, которые одновременно позволяют наблюдать сопутствующие микропроцессы в жидкости, ученые помещали бактериальную суспензию между двумя пластинами, одна из которых может сдвигаться и осциллировать. Благодаря микроскопу было установлено, что когда плотность бактерий в растворе становится достаточно высокой, они начинают демонстрировать стайное поведение. В частности, когда раствор с E. coli достигает концентрации от 10 до 20 процентов объема, то в жидкости образуются локальные завихрения, похожие на характерные движения рыбного косяка. Но если коллективные движения стаи, как принято считать, направляются живыми реакциями рыб, то коллективные движения бактерий в суспензии направляются их чисто физическими характеристиками – согласно рабочей модели ученых, тщательно наблюдавших за формированием и развитием этой картины.

Модель объясняет происходящее примерно так. По мере того, как бактерии продвигаются сквозь воду, они порождают в среде ударные волны, толкающие другие бактерии, находящиеся как поблизости, так и на более дальних расстояниях. Поскольку главной физической особенностью бактерий E. coli – помимо самостоятельного движения – является их вытянутая форма «палочки», именно эта специфика асимметричной формы и стимулирует бактерии в локальных группах к тому, чтобы взаимно сонастраивать свое расположение, приводящее к коллективному вихревому движению.

Сдвиговое движение пластины, в свою очередь, распространяет локальное упорядочивание бактерий уже глобально на всю жидкость. Без воздействия сдвига направление движений в локальных вихрях является случайным. Под воздействием сдвига проявляется тенденция к выстраиванию всех бактерий в полосы определенных взаимно согласованных направлений движения. В итоге, когда влияние осциллирующей сдвигающейся пластины помогает бактериям утрястись в усредненном взаимно согласованном поведении, их коллективное движение толкает воду и порождает локальные течения. А эти течения, в свою очередь заметно преобразуют и свойства раствора в целом – уже в макромасштабе превращая жидкость в сверхтекучую…

Хотя никто специально это не подстраивал, случилось так, что практически одновременно с данной статьей исследователей-экспериментаторов в другом авторитетном журнале, Physical Review Letters, была опубликована работа ученых из Бристольского университета, Великобритания, посвящённая разбору и анализу того же самого феномена, но только с сугубо теоретических позиций [prl18]. И самое интересное, конечно же, что модель теоретиков оказалась в примечательном согласии с новейшими результатами экспериментаторов.

Поставив перед собой цель разработать математическую модель для описания французских опытов 2015 года, открывших сверхтекучесть суспензии E. coli, бристольские теоретики в качестве основы выбрали общепринятые уравнения, используемые для расчетов в физике жидких кристаллов. Но только в данном случае известные формулы были модифицированы введением новых членов, отвечающих за активность бактерий.

Проделанный трюк с переходом к математике «активных жидких кристаллов» оказался весьма плодотворным. С опорой на новую модель ученые смогли аналитически показать, что их теория воспроизводит как низкие, так и нулевые, и даже отрицательные значения вязкости, наблюдаемые в экспериментах. А кроме того, модель предсказывает, что активно движущиеся бактерии под действием сдвигающихся пластин способны коллективно ориентировать себя в две разновидности особо стабильных структур.

Пока что нельзя говорить, будто новая теоретическая модель уже способна объяснить всё. Многие подробности относительно того, как именно выявленные эффекты коллективного движения бактерий вносят вклад в сверхтекучее состояние жидкости, пока еще ожидают дальнейшей разработки и уточнения. Однако важнейший факт в итоге проведенных исследований никем, похоже, в научном сообществе не оспаривается. Факт же заключается в том, что сверхтекучесть бактериальных суспензий – как упорядоченный перенос энергии микроскопических состояний бактерий в область отчетливо наблюдаемой макрофизики – это реальный и весьма примечательный феномен.

А самое главное, феномен сверхтекучести активной материи не только помогает ученым существенно иначе смотреть на устоявшиеся законы физики и пределы их «абсолютной непоколебимости», но и открывает новые подходы к решению весьма давних загадок фундаментальной науки.

Ключевые моменты феномена

Дабы плавно и органично перейти к заключительной – и самой любопытной – части рассказа «о новых подходах к старым неразрешимым загадкам», имеет смысл еще раз напомнить-перечислить ключевые моменты в живой сверхтекучести активной материи.

Среди важнейших факторов, позволяющих бактериальным растворам вести себя с очевидным нарушение привычных законов физики для обычной инертной материи, указывают прежде всего такие.

Во-первых, бактерии E. coli сами работают как крошечные моторы, своим метаболизмом преобразуя в движение энергию сахара и кислорода, растворенных в воде. Для поддержания их наиболее интенсивного движения, превращающего суспензию в «супержидкость», исследователям надо тщательно заботиться о правильном балансе питательных компонентов в растворе.

Во-вторых, вся энергия бактерий расходуется бесполезно, если их движения дезорганизованы и распределены статистически равномерно по всем направлениям. Чтобы энергия работала для порождения согласованного коллективного движения, в системе должна быть асимметрия. Так, чтобы работала гидротурбина, к примеру, в системе должна быть разница в уровнях воды, обеспечивающая поток жидкости с высокого места в низкое и соответствующее вращение турбины. Для системы бактерий это же правило асимметрии сводится к их продолговатой форме, которая обеспечивает отчетливо коллективную реакцию частиц на действие сил в воде.

Сам тот факт, что бактерии из-за специфики своей формы вынуждены сонастраивать взаимное расположение, приводит к порождению предпочтительного направления в их коллективном движении. А это нарушает симметрию активной материи. Если бы бактерии были сферическими, а не в форме палочек, то тогда не было бы собственно механизма, порождающего асимметрию и «супержидкость».

И в-третьих, наконец, особо заостряя внимание на феномене отрицательной вязкости, необходимо подчеркнуть факт «двух движений» в одной жидкости. Одна из пластин, между которыми находится суспензия, благодаря вязкости и силе трения сдвигает жидкость в одну сторону. Коллективные движения активных частиц в жидкости, однако, порождают нечто необычное – такую силу сдвига на вторую пластину, которая заставляет её двигаться в сторону, противоположную первой…

Как следует осмыслив и усвоив перечисленные факторы, теперь имеет смысл на них опереться и «с новых позиций» рассмотреть по очереди два известных, но по сию пору загадочных природных феномена – сверхтекучесть и гравитацию.

Феноменология сверхтекучести

Всякий раз, когда сегодня заходит разговор о новом феномене «супержидкости» в условиях живой активной материи, то о физике сверхтекучести обычной-низкотемпературной принято упоминать как о чем-то таком, что давно и всесторонне наукой постигнуто. Хотя на самом деле это совершенно не так.

У современной физической науки как никогда не было, так и по сию пору нет единой фундаментальной теории для сверхтекучести. А то что есть – это набор весьма разных и плохо стыкующихся друг с другом моделей, каждая из которых по-своему «объясняет» особенности феномена сверхтекучести для каких-то одних конкретных условий опыта, однако совершенно непригодна для объяснений в условиях других.

Наглядные тому примеры – изящная модель Ландау для сверхтекучести гелия-4 и совершенно иная, намного более сложная модель для сверхтекучести другого изотопа того же вещества, гелия-3, появившаяся треть столетия спустя. Другой пример – феномен электрической сверхпроводимости, которую есть все основания считать частным случаем сверхтекучести в условиях электронной жидкости. Если для объяснения сверхпроводимости обычной низкотемпературной имеется устраивающая практически всех теория Бардина-Купера-Шриффера, то для объяснения сверхпроводимости высокотемпературной нет никакого объяснения вообще. Несмотря на 40 лет напряженных усилий теоретиков…

В подобной ситуации всем, в общем-то, понятно, что в загадочном явлении сверхтекучести наука наша никак не может ухватить что-то принципиально важное. Непонятно, к сожалению, что именно тут все время ускользает. Но не исключено, что ныне все необходимое для прорыва на самом деле уже учеными ухвачено – вместе с освоением концепции активной материи и непосредственным наблюдением механизмов её живой сверхтекучести. Осталось лишь повнимательнее приглядеться, насколько хороша и наглядна эта модель для общего постижения природы сверхтекучести в целом.

Дабы интересные параллели и аналогии стали видны более отчетливо, имеет смысл напомнить важные детали из самого первого механизма сверхтекучести – двухжидкостной модели Льва Ландау, предложенной им в 1941 году и позволившей объяснить некоторые (но не все) из важнейших особенностей феномена. Причем рассматривать детали этой давней модели Ландау полезно сразу в сопоставлении с обнаруженным ныне механизмом сверхтекучести живой.

Суть открытого экспериментально в 1937 году феномена сверхтекучести жидкого гелия заключалась в том, что в процессе охлаждения газа до сверхнизких температур, после его перехода в жидкое состояние и при достижении критической (лямбда-) точки около 2,17 градусов Кельвина, вещество резко переходило в другое фазовое состояние – полностью лишенное вязкости, позволяющее легко проникать в самые узкие щели и капилляры, течь вверх по стенкам сосуда и совершать всякие прочие удивительные вещи, нарушающие законы физики, общепринятые для обычных жидкостей.

Для научного объяснения этих новых чудес Лев Ландау сумел придумать остроумную, так называемую феноменологическую модель сверхтекучести. Модели такого рода не претендуют на объяснение того, что реально происходит здесь на самом деле, но они способны на основе качественных аналогий и количественных расчетов-уравнений не только давать ученым ощущение понимания причин в основе наблюдаемых явлений, но и делать проверяемые опытами предсказания. В условиях квантовой физики, где все мудрецы давно уже признали, что «никто не понимает, что там происходит на самом деле», хорошо работающая феноменологическая модель – это уже прекрасное достижение. Даже с учетом того, что такие модели не способны объяснить все из наблюдаемых особенностей феномена.

В основу модели Ландау была заложена идея двух взаимопроникающих жидкостей. Одна из этих жидкостей – «нормальная компонента» – вполне обыкновенный сжиженный газ гелий, имеющий определенную вязкость, высокую теплопроводность и прочие характеристики обычных жидкостей. Но вот жидкость вторая, получившая название «сверхтекучая компонента» и в нарастающей доле образующаяся в веществе по мере охлаждения ниже критической лямбда-точки, имеет существенно иные физические параметры, в частности, нулевую вязкость, позволяющую течь вообще без трения и потерь энергии.

В совокупности же сочетание двух разных компонент приводит к тому, что при температуре ниже лямбда-точки жидкий гелий начинает демонстрировать в высшей степени необычные и противоречивые свойства. А двухжидкостая модель, соответственно, позволила как бы «объяснить» наблюдаемое, не вдаваясь в подробности о том, откуда и как чудесная сверхтекучая компонента тут берется.

Для понимания параллелей между этой моделью и сверхтекучестью активной материи самое время напомнить следующие факты. В физике охлаждаемых газов, как известно, процесс снижения температуры естественным образом ведет обычно к повышению плотности вещества – сначала до состояния жидкости, а затем и твердого тела. В случае с инертным газом гелием, однако, фаза твердого тела при обычном давлении не наступает, а вместо него парадоксально возникает совсем другое фазовое состояние – сверхтекучесть.

В живой физике бактериальных суспензий, для сравнения, исходная вода раствора – это совершенно обычная жидкость, а увеличение концентрации бактерий в воде естественным образом ведет к увеличению плотности жидкости. Но попутно парадоксальным образом вязкость жидкости снижается, а при достижении некоторой критической точки эта плотная густая жидкость вообще переходит в состояние сверхтекучести.

Дабы выявленный «параллелизм феноменологии» закрепился прочнее, полезно отметить и такие факты. Природа живой активной материи – это не только биофизика микроорганизмов, но также физика постоянно вибрирующих гранулированных материалов, имеющих неорганическую природу и получающих-преобразующих-рассеивающих энергию их «встряхивания». А физика квантовая, для сравнения, это физика осциллирующих частиц, постоянно находящихся в среде хаотических квантовых флуктуаций. Причем в условиях снижения температуры вещества к уровню абсолютного нуля степень хаотичности флуктуаций также понижается, а частицы все больше имеют тенденцию к упорядоченному коллективному поведению…

В частности, одним из ярких и характерных проявлений такого коллективного поведения в сверхтекучей компоненте выступают квантованные вихри, спонтанно зарождающиеся в супержидкости и сохраняющие вращение без потерь энергии. Нечто похожее, напомним, наблюдается и в бактериальных растворах.

И наконец, для финала, следует провести еще одну выразительную феноменологическую параллель – между странным поведением квантовых супержидкостей и отрицательной вязкостью супержидкостей живых.

Экспериментальное открытие феномена сверхтекучести жидкого гелия в 1937 году сопровождалось наблюдением удивительного явления. Когда в трубке, помещенной в супержидкость, нагревали светом порошок, то жидкость начинала активно течь по трубке к источнику тепла – а не в обратную сторону, как бывает с жидкостью обычной теплопроводности. Двухжидкостная модель Ландау хорошо подошла для объяснения и этого парадокса. В 1946 году Элевтер Андроникашвили экспериментально продемонстрировал, что нормальная компонента жидкого гелия уносит энергию от источника тепла, а на ее место устремляется компонента сверхтекучая, из-за чего в веществе и наблюдается противоток тепловому потоку.

В условиях сверхтекучести активной, для сравнения, когда бактериальная суспензия помещена между двумя пластинами, то сдвиг одной из пластин воздействует на жидкость благодаря её обычной вязкой компоненте. Однако живая компонента бактерий порождает в жидкости такие коллективные процессы, которые создают эффект отрицательной вязкости – и толкают вторую пластину в сторону, противоположную движению пластины первой. Порождая «противоток», иными словами…

Среди всех парадоксальных аспектов живой сверхтекучести именно этот феномен следует выделить особо. И выбрав его в качестве основы «нового взгляда» на старую физику, теперь пора обратиться к еще более загадочному феномену гравитации.

Сверхтекучесть гравитации

Обширная тема сверхтекучести уже довольно давно начала появляться в квантовых физических теориях, конструируемых учеными для решения трудных проблем вокруг массы материи. Причем физика сверхтекучести возникает здесь, что примечательно, сразу на двух существенно разных направлениях.

Одно из направлений – это механизм Хиггса, с помощью которого объясняют появление инертной массы у (изначально безмассовых) частиц. Важнейший, как известно, элемент этого механизма – всепроникающее поле Хиггса, всюду пронизывающее пространство вселенной и имеющее свойства сверхтекучей жидкости. Это означает, что флюид поля Хиггса содержит в себе такую сверхтекучую компоненту, которая в основном состоянии минимальной энергии имеет энергию, отличную от нуля. Иными словами, компоненту «активной материи».

Другое же направление исследований – это поиски механизма возникновения у частиц массы гравитационной. Или, выражаясь более доходчиво, по сию пору безуспешные попытки создать квантовую теорию гравитации. Которая могла бы объяснить феномен притяжения масс не в терминах искривления пространства-времени (как классическая теория гравитации Эйнштейна), а в терминах частиц-переносчиков гравитационного взаимодействия. Частиц, давно получивших у теоретиков название гравитоны, однако в природе до сих пор никем не наблюдавшихся.

В силу неких принципиальных отличий гравитационного взаимодействия тел от всех остальных фундаментальных сил физики, математическое описание гравитации никак не удается перевести на стандартный язык квантовых взаимодействий. Причины тому предполагаются разные, однако есть очень сильные свидетельства и аргументы, согласно которым «отквантовать гравитацию» не удастся до тех пор, пока пространство-время продолжают считать непрерывным, то есть делимым до бесконечности на все более и более мелкие фрагменты.

Иначе говоря, решение труднейшей проблемы следует искать, похоже, опираясь на предположение о дискретной или гранулированной структуре пространства. А среди той – сравнительно небольшой – части теоретиков, которая пытается развивать это направление исследований, фактически общепринятой является следующая точка зрения. Если пространство-время имеет структуру гранулированного флюида, то он с необходимостью должен обладать свойствами сверхтекучей квантовой жидкости. Иначе просто невозможно объяснить вечное движение фотонов света сквозь эту физическую среду без потерь энергии.

Если же это предположение верное, то в теоретической науке налицо интересная ситуация. Инертная масса материи объясняется ныне с опорой на идею о пространстве как сверхтекучей жидкости. И гравитационную массу материи с точки зрения квантовой физики также наиболее логично и естественно объяснять с позиций пространства как сверхтекучей жидкости.

При этом в науке физике с классических времен имеется неоспоримый и очень трудный для теоретического объяснения факт – инертная масса тела и гравитационная масса того же тела в точности равны другу при любой достижимой для экспериментаторов точности измерений. Хотя по природе своей это совершенно разные, казалось бы, характеристики тела, и абсолютно ниоткуда это равенство не следует – ни из классической физики, ни из квантовой теории.

Теперь же, однако, – при осмыслении новейших достижений биофизики в области сверхтекучести – появляется достаточно оснований для странного, быть может, но в чем-то и естественного предположения. О том, что и тот, и другой эффекты возникновения массы – это разные стороны одного и того же феномена в сверхтекучей жидкости пространства, имеющей физику живой активной материи.

Один эффект этой супержидкости – общеизвестный механизм Хиггса – окружает материальный объект квазичастицами «нормальной компоненты», тормозящими его движение и создающими феномен инертной массы. А эффект другой, связанный с движением «сверхтекучей компоненты» в сторону источника излучения, увлекает объекты с инертной массой в сторону того же источника по кратчайшим траекториям, именуемым геодезическими. Порождая таким образом, квантовый феномен «гравитационного притяжения масс»…

Более того, точно так же, как в сверхтекучем гелии-4 на самом деле нет никаких двух жидкостей, а есть два совместно существующих фазовых состояния одних и тех же атомов, имеющих существенно разную физику коллективного поведения, так и в супержидкости пространства происходит нечто аналогичное. Очень «тяжелые» медленные бозоны Хиггса, имеющие спин 0, и безмассовые гравитоны, имеющие спин 2, вполне могут оказаться разными – нормальной и сверхтекучей – фазами одной и той же сдвоенной квазичастицы, состоящей из пары фотонов со спином 1 и имеющей выраженную асимметричную форму «вихревого овала Кельвина». Что и обеспечивает разные формы коллективного движения (вихри, токи и противотоки) в среде раздвоенной активной материи. [bf]

При первичном знакомстве с этой идеей она может показаться воистину странной и даже безумной. Однако при более глубоком вникании в суть доля безумия здесь оказывается ничуть не больше, чем в нынешних открытиях, предоставивших науке существенно новый взгляд на «живую физику» активной материи в основе давно известных квантовых феноменов.

И если внимательно все эти странные вещи сопоставить, то сверхтекучесть активной материи пространства в основе феномена гравитации начинает выглядеть как практически самоочевидный факт. Который рано или поздно будет вынуждена признать и официальная наука. Но чтобы это произошло скорее раньше, чем позже, попутно придется открыто признать и серьезнейшую ошибку с «отменой» эфира в начале XX века. Ибо «эфир», понятное дело, это просто другое название для сверхтекучего флюида пространства…

# # #

Post Scriptum. О других важных аспектах биологической жизни в условиях микромира квантой физики и макромира космических масштабов можно прочесть здесь: Асимметрии , Квантовая биология частиц.

#

Ссылки

[r1] Sriram Ramaswamy, «The Mechanics and Statistics of Active Matter». The Annual Review of Condensed Matter Physicsis, 2010, 1:323–45. http://dx.doi.org/10.1146/annurev-conmatphys-070909-104101

[r2] M. C. Marchetti, J. F. Joanny, S. Ramaswamy, T. B. Liverpool, J. Prost, Madan Rao, R. Aditi Simha. «Hydrodynamics of soft active matter«. Reviews Of Modern Physics, Volume 85, July–September 2013, 1143–1189. http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.85.1143

[prl15] Hector Matıas Lopez, Jeremie Gachelin, Carine Douarche, Harold Auradou, Eric Clement. «Turning bacteria suspensions into a ”superfluid”». Phys. Rev. Lett. 115, 028301 (2015) – Published 7 July 2015. On Arxiv: arxiv.org/abs/1503.05511

[pnas18] Shuo Guo , Devranjan Samanta , Yi Peng , Xinliang Xu , and Xiang Cheng. «Symmetric shear banding and swarming vortices in bacterial “superfluids”». PNAS July 10, 2018, 115 (28) 7212-7217. On Arxiv: arxiv.org/abs/1805.11734

[prl18] Aurore Loisy, Jens Eggers, and Tanniemola B. Liverpool. «Active Suspensions have Nonmonotonic Flow Curves and Multiple Mechanical Equilibria». Physical Review Letters 121, 018001 (2018) – Published 3 July 2018

[bf] Подробности этой картины см. в путеводителе «Там За Облаками»: разделы Базис , Двумир, СуСи , Фокус .

#