Когда сверхтекучие жидкости сталкиваются, физики обнаруживают смесь старого и нового поведения.
В 1887 году был проведён один из самых важных экспериментов в истории физики. Американские учёные Майкельсон и Морли не смогли измерить скорость Земли, сравнив скорость света в направлении движения Земли со скоростью перпендикулярно ему. Это, возможно, наиболее важное нулевое измерение в истории науки привело Эйнштейна к постулату о постоянстве скорости света и, следовательно, к формулировке его теории специальной относительности.
Эта теория подразумевает, что все законы физики одинаковы, независимо от относительного движения между наблюдателями — концепция, известная как инвариантность Лоренца.
Тем временем была разработана квантовая теория, в основе которой лежит инвариантность Лоренца, в частности, квантовая теория поля и Стандартная модель физики элементарных частиц. Последняя является наиболее точно проверенной теорией, когда-либо разработанной, и была подтверждена с невероятной точностью.
Так почему же сомневаться в инвариантности Лоренца после 115 лет непрерывного успеха?
Ответ снова начинается с Альберта Эйнштейна — на этот раз с его теории общей теории относительности, которая описывает гравитацию как деформацию геометрии. Эта теория также оказалась чрезвычайно успешной, её проверяли с большой точностью во многих обстоятельствах, от слабой до очень сильной гравитации.
Проблема заключается в фундаментальной несовместимости между волновыми функциями вероятности квантовой теории поля с их движением через искривлённую геометрию и одновременно с их модификациями кривизны пространства-времени. Большинство попыток примирить две теории в рамках общей теории квантовой гравитации привели к необходимости нарушения инвариантности Лоренца, хотя и незначительно.
Таким образом, поиски Майкельсона и Морли продолжаются и сегодня, чему способствуют современные лабораторные эксперименты, проводимые с использованием значительно улучшенных технологий.
Открытие в области сверхтекучих жидкостей
Группа исследователей под руководством бывшей студентки UAB Мерсе Герреро и нынешней аспирантки IEEC в UAB Анны Кампой-Ордас, при участии Робертуса Поттинга из Университета Алгарве и Маркуса Гауга, лектора на факультете физики UAB и также сотрудника IEEC, теперь с помощью астрофизики проверила инвариантность Лоренца с беспрецедентной точностью. Исследование опубликовано в журнале Physical Review D.
Это возможно, потому что крошечные различия в групповой скорости фотонов могут накапливаться в измеримые задержки времени прибытия на Земле, если фотоны были испущены одновременно из источника, расположенного на очень большом расстоянии.
Команда объединила набор существующих границ из астрофизических измерений гамма-излучения с очень высокой энергией, используя новый статистический метод для проверки ряда параметров, нарушающих инвариантность Лоренца, которые в настоящее время поддерживаются теоретиками, в рамках Расширения Стандартной модели (SME).
Исследователи надеялись доказать неправоту Эйнштейна, но, как и многие другие до них, не преуспели. Тем не менее новые границы улучшают предыдущие пределы на порядок.
Между тем, поиски экспериментальной проверки предсказаний теорий квантовой гравитации продолжаются, и инструменты следующего поколения, такие как обсерватория Cherenkov Telescope Array, призваны значительно улучшить производительность в обнаружении гамма-излучения с очень высокой энергией от удалённых источников.
Физика часто заключается в распознавании закономерностей
Например, спутники вращаются вокруг планет так же, как планеты вращаются вокруг звёзд, которые, в свою очередь, вращаются вокруг центра галактики.
Когда исследователи впервые изучили структуру атомов, они были склонны распространить эту закономерность на более мелкие масштабы и описать электроны как вращающиеся вокруг ядер атомов. Это правда в некоторой степени, но особенности квантовой физики означают, что закономерность нарушается значимым образом. Электрон остаётся в определённой орбитальной области вокруг ядра, но, в отличие от классической орбиты, электрон будет обнаружен в случайном месте в области, а не будет двигаться по точно предсказуемому пути.
Сверхтекучие жидкости — это квантовое состояние вещества, которое имеет двойственную природу, и для понимания их поведения исследователям пришлось определить, когда они следуют старым правилам обычных жидкостей, а когда играют по своим квантовым правилам. Например, сверхтекучие жидкости заполняют форму контейнера, как обычные жидкости, но их квантовая природа позволяет им преодолевать вертикальные стенки.
Эксперименты со сверхтекучими жидкостями
Исследователи из JQI (Joint Quantum Institute) Ян Шпильман и Гретхен Кэмпбелл и их коллеги изучали богатое разнообразие квантового поведения, присутствующего в сверхтекучих жидкостях, и искали способы его использования. В серии недавних экспериментов они смешали две сверхтекучие жидкости и наткнулись на некоторые неожиданные закономерности, знакомые по обычным жидкостям.
В статье, опубликованной в августе 2025 года в журнале Science Advances, команда описала закономерности, которые они видели в своих экспериментах, которые напоминали рябь и грибовидные облака, обычно возникающие при встрече двух обычных жидкостей с разной плотностью.
Команда изучает тип сверхтекучей жидкости, называемый конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК). БЭК образуются путём охлаждения множества частиц до такой низкой температуры, что они все собираются в единое квантовое состояние. Это объединение позволяет всем атомам координироваться и позволяет особенностям квантовой физики проявляться в гораздо большем масштабе, чем это обычно встречается в природе.
Для проведения эксперимента исследователи использовали атомы натрия. Каждый атом натрия имеет спин, квантовое свойство, которое заставляет его вести себя как маленький магнит, который может быть направлен либо по, либо против магнитного поля. Воздействие на охлаждённое облако атомов натрия микроволнами создаёт примерно равное количество атомов со спинами, направленными в противоположные стороны, что образует два БЭК с различным поведением.
В неравномерном магнитном поле облако двух смешанных БЭК, образованное микроволновым импульсом, самоорганизуется в два соседних облака, причём одно эффективно плавает поверх другого. Регулировка поля может заставить сверхтекучие жидкости двигаться.
Этот процесс был обычным делом в лаборатории, но вместе с небольшой случайностью он вдохновил на новый эксперимент. Аспирант JQI Янда Генг, который является ведущим автором статьи, изначально работал над другим проектом, который требовал от него сгладить вариации магнитного поля в его установке.
Чтобы проверить магнитные флуктуации, Генг обычно превращал своё облако атомов в два БЭК и делал снимок их распределения. Полученные изображения привлекли внимание постдокторанта JQI Миншу Чжао, который в то время работал над своим собственным проектом о турбулентности в сверхтекучих жидкостях. Чжао, который также является автором статьи, подумал, что завихряющиеся узоры в сверхтекучих жидкостях напоминают турбулентность в обычных жидкостях.
Снимки, полученные при калибровке, нечётко показывали грибовидные облака, но что-то в том, как смешивались два БЭК, казалось знакомым.
«Это то, что вы называете серендипностью», — говорит Генг. «И если у вас есть кто-то в лаборатории, кто знает, что могло произойти, они могли бы сразу сказать: «О, это что-то интересное, и, вероятно, стоит заняться этим с научной точки зрения».
Подсказки продолжали появляться, поскольку первоначальный эксперимент Генга неоднократно сталкивался с препятствиями. После нескольких месяцев работы над проектом он почувствовал, что бьётся головой о стену. Однажды коллега, постдокторант JQI Цзюньхэн Тао, предложил Генгу смешать всё и провести время, исследуя намёки на турбулентность.
«Это было воскресенье, мы пошли в лабораторию и просто небрежно ввели несколько чисел и запрограммировали эксперимент, и бам, вы видите сигнал», — говорит Генг.
Магнитные отклики двух БЭК дали Генгу и Тао удобный способ контролировать сверхтекучие жидкости. Сначала они позволили магнетизму притянуть два БЭК в стабильную конфигурацию, в которой они лежат вплотную друг к другу, как масло, плавающее на воде. Затем, изменив способ, которым магнитное поле варьировалось в ходе эксперимента, БЭК были внезапно притянуты в противоположном направлении, мгновенно создав эквивалент воды, уравновешенной на вершине масла.
После настройки поля Генг и Тао смогли сделать всего один снимок смешивающихся БЭК. Чтобы получить изображение, они полагались на тот факт, что БЭК естественным образом поглощают разные цвета света. Они вспыхнули цветом, который взаимодействовал только с одним из БЭК, чтобы они могли идентифицировать каждый БЭК по тому, где поглощался свет.
Ожидая разное количество времени в каждом прогоне, они смогли собрать воедино то, что происходило, когда два БЭК смешивались. Результаты выявили характерное формирование грибовидных облаков, которые в конечном итоге переродились в беспорядочную турбулентность.
Исследователи определили, что, несмотря на многие резкие различия между БЭК-сверхтекучими жидкостями и классическими жидкостями, БЭК воссоздали широко распространённый эффект, называемый неустойчивостью Рэлея-Тейлора, который встречается в обычных жидкостях.
Неустойчивость Рэлея-Тейлора описывает процесс, при котором двум различным жидкостям необходимо поменяться местами, например, когда плотный газ или жидкость находится поверх более лёгкой, на которую действует сила тяжести, тянущая её вниз. Неустойчивость приводит к росту небольших несовершенств в почти стабильном состоянии, которые перерастают в непредсказуемое турбулентное смешивание.
С помощью небольшой дополнительной работы они подтвердили, что могут надёжно воссоздать поведение, и показали, что сверхтекучие жидкости в эксперименте имели все необходимые ингредиенты для создания неустойчивости.
В эксперименте исследователи фактически подставили магнетизм в роль, которую часто играет гравитация в создании неустойчивости Рэлея-Тейлора. Это сделало удобным изменение направления силы по своему желанию, что облегчило начало с спокойной границы между жидкостями и наблюдение за тем, как неустойчивость перерастает из мельчайших семян несовершенства в турбулентное смешивание.
quantum theory has been developed, with Lorentz invariance at the heart of all its theoretical frameworks, in particular quantum field theory and the Standard Model of Particle Physics. The latter is the most precisely tested theory ever developed and has been verified to incredible precision.»,»So why doubt Lorentz invariance after 115 years of uninterrupted success?»,»The answer once again starts with Albert Einstein—this time with his theory of general relativity, which describes gravity as a deformation of geometry. A theory which has also proven to be extremely successful, having been tested to great precision in many circumstances ranging from weak to very strong gravity.»,»The problem lies in the fundamental incompatibility between the probability wave functions of quantum field theory with their movement through curved geometry and, at the same time, their modifications of spacetime curvature. Most attempts to reconcile the two theories into a common framework of quantum gravity have resulted in the need to break Lorentz invariance, albeit only slightly.»,»Thus, Michelson and Morley’s quest continues today, aided by modern laboratory experiments carried out with vastly improved technology.»,»One prediction of several Lorentz-invariance-violating quantum gravity theories is a dependence of the speed of light on photon energy. Any deviation from a constant speed of light must be extremely small to remain compatible with current constraints, but may become detectable at the very highest photon energies, known as very-high-energy gamma rays.»,»A team of researchers led by former UAB student Mercè Guerrero and current IEEC Ph.D. student at the UAB Anna Campoy-Ordaz, with the participation of Robertus Potting from the University of Algarve and Markus Gaug, lecturer at the Department of Physics of the UAB and also assigned to the IEEC, has now tested Lorentz invariance to unprecedented precision with the help of astrophysics. The study is published in the journal Physical Review D.»,»This is possible because tiny differences in the group velocity of photons may accumulate into measurable arrival-time delays on Earth if the photons were emitted simultaneously from a source located at a very large distance.»,»The team combined a collection of existing bounds from astrophysical measurements of very-high-energy gamma rays using a new statistical method to test a series of Lorentz-invariance-violating parameters, currently favored by theoreticians, of the Standard Model Extension (SME).»,»The researchers hoped to prove Einstein wrong but, like so many others before them, did not succeed. Nevertheless, the new bounds improve upon previous limits by an order of magnitude.»,»In the meantime, the quest to experimentally test the predictions of quantum gravity theories continues, with next-generation instruments just around the corner—such as the Cherenkov Telescope Array Observatory—designed to greatly improve performance on the detection of very-high-energy gamma rays from distant sources.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tAutonomous University of Barcelona\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник