Ван Гог – пророк на квантовия свят? Учените доказаха, че вихрите в „Звездна нощ“ на Ван Гог се подчиняват на законите на физиката

Разгледайте „Звездна нощ“ на Ван Гог. Какво виждате? Яростни, почти живи мазки, които извиват нощното небе в спирали от светлина и мрак. Изглежда сякаш художникът е уловил не просто пейзаж, а самата енергия, скрита във Вселената. А какво би било, ако допуснем, че тези вихри, родени от гения на постимпресионизма, поразително напомнят на явление, което физиците успяха да наблюдават едва наскоро, при условия, далеч от нашето ежедневие – в света на квантовите течности при температури, близки до абсолютната нула?

Това не е просто красива метафора. Едно скорошно откритие на учени от Япония и Южна Корея прави неочакван, но дълбок паралел между изкуството и фундаменталната физика, разкривайки красотата на турбулентността на най-дълбоко, квантово ниво.

От облаците до абсолютната нула: какво е неустойчивостта?

Нека започнем с нещо познато. Вероятно сте виждали как вятърът раздвижва вълните по водата или как слоевете облаци се смесват причудливо в небето. Зад тези явления стои един и същ физичен принцип – нестабилността на Келвин-Хелмхолц. Тя възниква на границата на две среди (например въздух и вода), които се движат с различни скорости. Едната среда сякаш се „прилепва“ към другата, генерирайки вълни, които в крайна сметка могат да се завихрят във вихри.

Това е класика в хидродинамиката, позната от почти век и половина. Но физиците отдавна се измъчват от въпроса: какво ще стане, ако пренесем този сценарий в квантовия свят, където законите, с които сме свикнали, вече не действат?

За да намерят отговора, изследователите се обърнаха към едно от най-странните състояния на материята – кондензатът на Бозе-Айнщайн. Представете си, че охлаждате атомите на вещество (в този случай литий) почти до абсолютната нула (-273,15 °C). При тази екстремна температура атомите губят своята индивидуалност и започват да се държат като един гигантски „суператом“, подчиняващ се на законите на квантовата механика. Това е свръхфлуид, който може да тече без триене и да проявява невероятни свойства.

Танц на границата: как е „уловен“ квантовия вихър

Експериментът е елегантен по свой собствен начин. Учените са създали два потока от подобен квантов кондензат, движещи се с различна скорост. На границата между тях, както предвижда класическата теория, започнали да се образуват вълнообразни „пръсти“. Но след това се случило нещо съвсем различно. Вместо хаотичната турбулентност, позната ни от речните бързеи, се появили подредени и крайно необичайни вихри.

И точно тук се е криела най-голямата загадка. Тези вихри се оказаха нещо повече от квантови аналози на водните фунии. Те представляват невиждан досега тип топологични дефекти – ексцентрични фракционни скирмиони. Звучи сложно, нали? Нека го разнищим.

Лунният сърп в квантовия свят: какво е скирмион?

Преди всичко, какво е обикновеният скирмион. Представете си малък магнитен „таралеж“, чиито „игли“ (спинови вектори) са усукани в сложна, стабилна структура, подобна на възел или вихър. Тези структури са невероятно стабилни и малки, което ги прави обещаваща основа за бъдещи устройства за памет и спинтроника – електроника, която използва не само заряда, но и спина на електрона. Обикновено скирмионите са симетрични, като идеално завихрена фуния.

Но това, което физиците виждат при своя експеримент, е нещо друго. Техните скирмиони бяха:

• Ексцентрични: не са кръгли, а със сърповидна форма, като полумесец.
• Дробни: Техният топологичен заряд (условната „степен на усукване“) не е цяло число.
• С сингулярности: В рамките на сърпа се намират специални точки, в които подредената структура на вихъра внезапно се „разчупва“.

Именно тази форма на сърпа с неговите вътрешни изкривявания накара един от авторите на изследването, Хиромицу Такеучи, да се сети за „Звездна нощ“.

„За мен – казва той – големият полумесец в горния десен ъгъл на картината изглежда точно като тези вихри“.

Отвъд границите на живописта: защо това е важно?

Разбира се, приликата с картината на Ван Гог е преди всичко красив образ, който помага на нас, нефизиците, да си представим тези екзотични обекти. Но научната стойност на откритието е много по-дълбока.

На първо място, то отваря вратата за създаването и изучаването на нови видове скирмиони. Ако успеем да се научим да контролираме подобни сложни структури, това може би ще доведе до още по-усъвършенствани технологии.

Второ, и може би най-важното, тези вихри са предизвикателство към съществуващите теории. Тяхната сложна структура с вградени „дефекти“ не се вписва в обичайните топологични класификации. Това означава, че физиците ще трябва да преосмислят някои фундаментални идеи за това как могат да бъдат подредени дефектите в квантовите системи. Това е тип откритие, което не просто дава отговор, а задава много нови, още по-интересни въпроси.

Какво следва. Екипът възнамерява да направи по-прецизни измервания, за да провери старите теоретични прогнози за генерираните вълни. Но най-важното е, че те са открили цял нов зоопарк от квантови явления. Кой знае какви други удивителни структури се крият в другите многокомпонентни системи и чакат да бъдат открити?

Така че следващия път, когато погледнете Звездната нощ, помнете, че нейните луди вихри не са само плод на въображението на гения. Тя е и отзвук от фундаменталните природни закони, които управляват танца на материята на границата между реда и хаоса – както във вихрените облаци над главите ни, така и в капката квантова течност, охладена до безмълвието на космоса.