Истории прыгающей капли (и при чём тут квантовая физика)

(Апрель 2019, idb)

Очередное случайное открытие ученых-экспериментаторов – как ещё один маленький ключик к разгадке больших тайн природы. И ещё один повод обратить внимание на странности в реакциях науки на собственные открытия.

Сегодня уже многие, наверное, наслышаны о том серьезнейшем кризисе непонимания, который довольно неожиданно обозначился вдруг в фундаментальных основах физики. А значит, и в базовом фундаменте всей науки человечества в целом – если иметь представление, сколь важное место занимает физика в конструкции всего того здания научных знаний, что выстраивалось учеными на протяжении последних четырех столетий.

О глубинных причинах и характерных чертах нынешнего кризиса можно рассказывать долго и с разных сторон (ссылки на содержательные тексты приведены в конце), однако в данном случае речь пойдет всего лишь об одном – и далеко не самом важном – из аспектов этой большой истории. Особенности аспекта, однако, таковы, что даже при разборе совсем небольшого и рядового, в общем-то, эпизода из жизни и поисков физиков здесь становятся куда понятнее и главные причины гранд-проблем в научном фундаменте.

Тема рассказа – новый феномен, буквально только что открытый в опытах экспериментаторов с физикой движения жидкостей, иначе именуемой гидродинамикой. Суть феномена – необычное или, как еще иногда выражаются, контр-интуитивное поведение жидкой капли, оказавшейся в жидкости несколько другого рода и плотности.

Обычно, как всем известно, такого рода капли – если сразу не начинают растворяться – либо растекаются на поверхности, либо идут ко дну под действием гравитации. В данном же случае капля сначала начинает тонуть, но затем процесс погружения переходит в прыжки капли вверх-вниз, что может продолжаться довольно долго – до получаса. Причем и собственно прыжки выглядят здесь весьма специфически.

Для того, чтобы объект подпрыгивал, обычно подразумевается наличие твердого барьера, от которого объект отталкивается. Либо наличие, по крайней мере, отчетливо обозначенного интерфейса или границы между двумя средами. В данном же случае никакой четкой границы не наблюдается. Тонущая капля останавливается где-то среди жидкости – или «в балке», как еще выражаются, – и начинает движение вверх. Затем, в другой точке балка, всплытие останавливается и сменяется движением ко дну. После чего цикл прыжков повторяется снова и снова, снова и снова…

Вообще говоря, наблюдавшие за каплей физики-экспериментаторы занимались в это время опытами со смесями жидкостей совсем в других целях. Однако, когда неожиданно обнаружился данный феномен – как еще один эпизод в длинной череде случайных открытий науки – основное дело было решено на время отложить и заняться повнимательнее изучением новой необычной физики.

Дабы природа нового феномена стала яснее, сразу же надо подчеркнуть, какого рода смесями жидкостей занимались в это время исследователи. На техническом жаргоне специалистов это называется «стратифицированные смеси», что в переводе на общечеловеческие понятия лучше всего разъясняет знаменитая формула-рецепт Джеймса Бонда для его любимого коктейля: «Смешать, но не взбалтывать».

Когда разные компоненты жидкой смеси аккуратно налиты в сосуд и заполняют его слоями (или по-научному стратами) в соответствии со своей нарастающей ко дну плотностью, то в целом такая смесь обретает свойство, именуемое градиент концентрации или плотности. Конкретно в том опыте, который интересует нас, все эксперименты ученых были сосредоточены на совсем простой «вертикально стратифицированной смеси из этанола и воды». А в роли «самодвижущейся прыгающей капли» выступала капля эфирного масла на основе транс-анетола.

(Общий состав всей этой лабораторной среды – вода, этиловый спирт и транс-анетол с характерным запахом аниса – вовсе не случайно соответствуют составу виноградного самогона с анисовой отдушкой, широко известного в пьющем мире под другими благородными названиями – типа греческий напиток Узо. Примечательные физические и потребительские свойства этих алкогольных напитков – типа резкого помутнения прозрачной жидкости при добавлении воды – и были, собственно, исходной целью данных исследований ученых.)

Проанализировав с помощью тщательной фотосъемки и компьютерных вычислений любопытную физику прыгающей капли, авторы установили, что главной причиной феномена здесь выступает так называемый эффект Марангони. То есть известный еще с XIX века (и тоже открытый при анализе физики алкогольных напитков) эффект специфического распределения сил поверхностного натяжения на границе между разными жидкостями.

Наглядное и убедительное соответствие между высококачественными снимками капли на каждом из этапов её прыжков в слоях этанола и воды, с одной стороны, и результатов компьютерного моделирования для физики Марангони на поверхности капли и сопутствующих эффектов типа «джета плавучести», со стороны другой, дало ученым все основания заявить о понимании и этого нового, прежде неизвестного науке феномена.

С подробностями исследования все желающие могут ознакомиться в статье авторов, опубликованной в апреле с.г. журналом Physical Review Letters (Yanshen Li et al. «Bouncing Oil Droplet in a Stratified Liquid and its Sudden Death,» Phys. Rev. Lett. 122, 154502. Препринт arXiv.org: 1812.01498  ).

Ну а здесь имеет смысл повнимательнее разобраться с таким тремя моментами. (1) Что и как принято сейчас пояснять в профессиональных статьях ученых о подобных исследованиях. (2) О чем там говорится еще – но только вскользь и мимоходом. (3) И о чем, наконец, не упоминается вообще – хотя и эти моменты являются немаловажными. Как для понимания общей картины, так и для понимания того места, которое занимает в картине конкретно данный результат.

(1) О чем в статье рассказано подробно и в явном виде. Суть полученных в исследовании результатов – это демонстрация и объяснение еще одного примечательного феномена из физики так называемой активной или живой материи: плавающей капли, продолжительное время прыгающей внутри непрерывной среды, не имеющей ни твердых стенок, ни отчетливых поверхностных интерфейсов.

Плавающие капли, согласно современной физической терминологии, это такие капли, которые демонстрируют самостоятельное движение, когда они помещены в другую жидкость. Такие объекты, как уже установила наука, имеют большую важность по причинам участия их специфической физики во множестве химических и в особенности биохимических реакций. Кроме того, самодвижущиеся объекты активной или живой материи служат ныне в качестве наиболее простых модельных систем для изучения коллективного поведения биологических популяций, роев насекомых, стай рыб или птиц (подробности на данный счет можно найти в тексте «Живая физика сверхтекучести» ).

Один из фундаментальных механизмов, ведущих к самопроизвольному движению капель, это так называемый эффект Марангони. Он порождается благодаря неоднородному поверхностному натяжению на границе между каплей и жидкостью, что может происходить вследствие самых разных причин: химических реакций, процессов растворения, разделения фаз, либо благодаря градиенту температуры или плотности в среде. Конкретно в данной работе авторы сосредоточили своё внимание на последнем из перечисленных типов – градиенте плотности в жидкой среде, что встречается в природе повсеместно…

(2) О чем в заключении статьи сказано мимоходом и вскользь. Описанная исследователями система может быть легко обобщена на случаи других жидкостей – при условии, что имеется вертикально стратифицированная жидкость, порождающая достаточно сильный эффект Марангони на поверхности капли. Этот вывод подтверждается наблюдениями ученых за каплей силиконового масла, которая помещалась в ту же самую стратифицированную жидкость и демонстрировала аналогичное прыгающее поведение. В настоящее время авторы заняты исследованиями того, каким образом на прыгающее поведение капли влияют другие параметры системы…

(3) О чем в статье нет ни слова. Хотя о любой работе человеческой следует судить по тому, что там есть, а не по тому, чего там недостает, именно в данном случае полезно обратить внимание и на отсутствие кое-чего существенного. Ибо упомянутые вскользь наблюдения за прыжками капли силиконового масла появились в финале статьи вряд ли случайно.

На протяжении последних полутора десятков лет феномен капли силиконового масла, прыгающей на поверхности вибрирующей жидкости, стал у физиков как предметом весьма интенсивных исследований, так и темой еще более оживленных споров. О причинах этого с массой подробностей рассказывется в материале «Квантовая физика как она есть» , ну а здесь достаточно пояснить лишь суть предмета.

В 2005 году французские физики-экспериментаторы Ив Куде и Эммануэль Фор опубликовали работу с описанием несложного настольного опыта с вибрирующим плоским контейнером, в который налито силиконовое масло, а капля того же масла сколь угодно долго может прыгать на поверхности этой вибрирующей жидкости. Такой феномен прыгающей капли был известен в науке и прежде, однако Куде и Фор исследовали систему более тщательно – и установили поразительные вещи.

Оказалось, что капля масла, прыгающая на вибрирующей поверхности жидкости, воспроизводит множество феноменов, прежде считавшихся присущими лишь исключительно физике квантовой. В частности, были продемонстрированы наглядные классические аналоги и для особо загадочных квантовых феноменов: интерференция одной частицы на двух щелях, туннельный эффект прохода через потенциальный барьер, квантование орбит и так далее…

Здесь же непременно следует напомнить, что еще десятью годами ранее, в 1995 американскими физиками в Техасе был открыт примечательный феномен осциллонов – причем с помощью аналогичной настольной установки практически той же самой конструкции. Но только здесь плоский вибрирующий контейнер заполняли не силиконовым маслом, а другими материалами гранулированной-зернистой структуры. Поначалу массивом крошечных бронзовых шариков, впоследствии плотными вязкими жидкостями типа глины или коллоидных растворов.

Главная же общая черта экспериментов заключается в том, что при определенном наборе параметров в вибрирующей среде возникают осциллоны. То есть на редкость стабильные стоячие волны, осциллирующие между двумя существенно разными состояниями – кратера и пика для гранулята, холма и ямы для жидкости. И что самое любопытное, разные фазы колебаний осциллонов ведут себя в точности как электрические заряды: одинаковые фазы взаимно отталкиваются, противоположные фазы взаимно притягиваются…

Если сопоставить два столь примечательных и очевидно родственных феномена на вибрирующей поверхности жидкости – прыгающую каплю и ямы-холмы осциллонов, – то довольно сложно не заметить и аналогии с еще одним важным квантовым объектом, известным под названием «двойное решение Де Бройля».

В свое время, в конце 1920-х годов, один из отцов квантовой механики Луи Де Бройль предложил собственное оригинальное решение для волнового уравнения Шредингера. По мнению Де Бройля, спаренная конструкция из частицы и волны, осциллирующих как единая система, давала не только внятное, но и наглядное гидродинамическое объяснение для математики его «двойного решения». Интересное предложение Де Бройля, однако, научная общественность в ту пору проигнорировала полностью.

Поскольку проблема с принятием внятных-наглядных аналогий из гидродинамики для загадочных квантовых феноменов отчетливо присутствует в физике и по сию пору, никому не приходит в голову сопоставлять и такие два феномена – один давно известный и другой, открытый только что. Феномен, давно известный в квантовой физике, с подачи Шредингера носит название Циттербевегунг или «дрожащее движение» частицы.

С подачи современного математического физика Роджера Пенроуза, более общий взгляд на тот же феномен получил название «зиг-заг представление фермиона». При взгляде на поясняющую картинку Пенроуза довольно сложно не заметить аналогий с открытым ныне феноменом «прыгающей капли в стратифицированной жидкости».

На сегодняшний день, однако, в доминирующих подходах физической науки очевидные аналогии между гидродинамикой и квантовыми феноменами проводить, мягко говоря, как-то не принято. Более того, не наблюдается и таких исследований, которые изучали бы совместно и в сопоставлении даже два таких несомненно родственных феномена «активной материи», как осциллоны и прыгающие капли на вибрирующих поверхностях…

А вот что наблюдается в большой науке вполне отчетливо, к сожалению, так это настойчивое желание «опровергнуть» хоть какие-то взаимосвязи между наглядной физикой прыгающей капли и «непостижимыми» феноменами квантовой природы. Но об этом, впрочем, лучше рассказывать отдельно и с важными подробностями. То есть в другой раз.

#

Ну а здесь историю остается завершить вот какими соображениями. При нынешних обсуждениях кризиса в фундаментальной науке, вызванного отсутствием сильных новых идей в теории и фундаментальных открытий у экспериментаторов, довольно часто приходится слышать примерно такого рода аргументы и «объяснения».

Всё дело в том (объясняют нам мудрецы), что ныне на дворе далеко не XVII век, когда наука знала еще слишком мало, а потому практически любой целеустремленный и грамотный исследователь легко мог делать важные открытия во множестве практически неизведанных областей. Что же касается ситуации на сегодняшний день, то теперь далеко продвинутой науке человечества известно о природе уже не просто много, а очень и очень много всякого-разного. А потому открыть что-либо действительно новое и неожиданное становится в высшей степени сложно. Оттого, мол, у людей и появляется ложное ощущение «фундаментального кризиса»… (более подробное обсуждение этой темы можно найти в материале «У народа есть все основания не доверять науке» ).

Вполне возможно, что для кого-то и такие доводы звучат достаточно убедительно. Однако реальная ситуация с кризисом в фундаментальных основах науки заключается вовсе не в том, что нет новых идей и новых открытий. На самом деле и того, и другого в науке всегда было достаточно как прежде, так и теперь. Беда же в том, что важнейшие открытия не воспринимаются большинством как «фундаментальные», то есть принципиально важные для пересмотра устоявшихся взглядов на основы науки.

Воистину фундаментально важные вещи – вроде феноменов «обычной» и высокотемпературной сверхпроводимости, сцепленности кубитов в основах квантовых компьютеров, топологических изоляторов и прочих топологических фаз материи, – всё это и многое-многое другое подобное проходит ныне по разряду «новых технологий». То есть вещей, которые как бы уже «поняты» или «почти поняты» на фундаментальном уровне, а потому и совершенно не воспринимаются как повод для пересмотра базовых основ науки.

Достаточно, однако, лишь совсем немного копнуть поглубже, чтобы увидеть в корне иную картину. На самом деле, к примеру, в науке физике нет ни малейшего представления о тех механизмах природы, которые обеспечивают квантовую сцепленность частиц – то есть их мгновенное взаимодействие в независимости от разделяющих частицы расстояний. Аналогично, нет в действительности у науки никаких внятных объяснений и для крайне странных феноменов в основе сверхтекучести – как высокотемпературной, так и «обычной».

Список этот можно продолжать и далее. Однако куда важнее здесь суть происходящего. Суть же такова, что на дворе ныне действительно далеко не XVII век, а наука действительно знает теперь несоизмеримо больше. Но вместе со всеми этими знаниями перед учеными одновременно открывается и необозримый простор для новых важнейших открытий.

Ибо достаточно лишь постичь, что абсолютно все из имеющихся у людей знаний о природе могут и должны быть уложены в единую самосогласованную картину, как тут же станет ясно и другое. На сегодняшний день у науки человечества даже близко нет представления о том, как выглядит эта итоговая картина Единства. А потому и любой новый шаг ученых к сведению совершенно разных прежде вещей к разным сторонам одного и того же феномена природы – это одновременно пусть маленькое, но фундаментально важное открытие.

При таком взгляде на науку и природу, хочется надеяться, и нынешнее открытие в области феноменов «прыгающей капли» уже не будет выглядеть как еще один забавный пустячок из физики спиртных напитков…

# # #

Дополнительное чтение:

«Живая физика сверхтекучести (и при чем здесь гравитация)». О том, как живая/активная материя наглядно воспроизводит наиболее загадочные феномены физики – сверхтекучесть и квантовую гравитацию.

«Квантовая физика как она есть». О том, как прыгающая капля воспроизводит множество загадочных и контр-интуитивных феноменов из квантовой физики частиц.

«Бразильский орех и гравитация». О том, сколь парадоксально и непредсказуемо ведут себя объекты в вибрирующих гранулированных средах.

«Квантовая биология частиц». Раздел Вечное дыхание дживана: О том, сколь близки феномены осциллонов и прыгающей капли, однако никто из ученых не занимается взаимным сопоставлением этой наглядной гидродинамики.

Природа самообмана в точных науках.
Хиггс и Андерсон: Возможно ли ныне создание новой физики.
«У народа есть все основания не доверять науке»…

# #

Основные источники :

Yanshen Li, Christian Diddens, Andrea Prosperetti, Kai Leong Chong, Xuehua Zhang, and Detlef Lohse. «Bouncing Oil Droplet in a Stratified Liquid and its Sudden Death,» Phys. Rev. Lett. 122, 154502 (2019)

«Drops Bounce Inside Liquids,» by Katherine Wright, Physics Synopsis.
April 17, 2019