Физические процессы, аналогичные тем, что отвечают за стабильность торнадо, легли в основу нового исследования учёных University of Washington, которое может привести к лучшему пониманию ядерной динамики, специфики сверхпроводников и особенностей нейтронных звёзд.
В рамках исследования учёные попытались выяснить, свидетелями какого загадочного феномена в 2013 году стали их коллеги из Massachusetts Institute of Technology. В прошлом году учёные MIT обнаружили странное явление – необычную долгоживущую волну, «путешествующую» через газ холодных атомов (Ферми-газ) с аномальной низкой скоростью. Учёные назвали эту волну «тяжёлым солитоном», заявив, что она абсолютно противоречит теоретическим описанием подобного явления. Необычной особенностью этих частицоподобных волн является то, что они не видоизменяют своей формы даже при взаимодействии с другими солитонами, продолжая свое движение невзирая ни на что. Именно поэтому поведение «тяжёлых солитонов» не вписывается ни в одну из существующих теорий.
Однако проведя одно из наиболее масштабных вычислений за всю историю использования суперкомпьютеров, физики Aurel Bulgac и Michael Forbes из University of Washington установили, что зафиксированный феномен был назван «солитоном» ошибочно. Учёные выяснили, что обнаруженное явление, вероятнее всего, является вихревыми кольцами – квантовым аналогом колец дыма.
По словам Bulgac, интерпретация эксперимента не вписывалась в теоретические прогнозы. Физик отметил, что перед ним и его коллегами стояла задача – выяснить, что на самом деле представляет собой этот феномен, а так как решение было неоднозначным, пришлось провести детализированное исследование.
Вихревое кольцо – это явление в форме пончика, при котором жидкость или газ образует подобие замкнутой петли. С точки зрения физики, вихревое кольцо – это аналог тороидальных вихрей, таких же, что отвечают за стабильность торнадо и ядерных грибов. Нечто подобное могут образовывать под водой дельфины.
По словам Forbes, используя современные вычислительные методы, он и его коллега продемонстрировал, что «тяжелые солитоны», обнаруженные учёными MIT, можно прекрасно поместить в рамки модели вихревых колец.
Forbes также отметил, что приемы моделирования, используемые им и его коллегами в рамках исследования, могли бы в будущем послужить для решения многих проблем физики, в частности, их можно использовать для изучения ядерных реакций, исключая необходимость проведения ядерных испытаний, а также анализа нейтронных звезд. По его словам, подобные расчеты позволят лучше понять «сбои» и причины увеличения частоты пульсаций нейтронных звезд.
Расчеты, используемые в рамках исследования – одни из наиболее масштабных расчетов, выполненных на суперкомпьютере Titan, расположенном в Oak Ridge Leadership Computing Facility в Теннесси. Для моделирования также использовался компьютер Hyak University of Washington.
Bulgac and Forbes представили результаты проведенного им исследования в статье, опубликованной в январском выпуске журнала Physical Review Letters.
