Физики «обратили время» для хаотичных прыжков капель

Капля масла подпрыгивает на поверхности того же масла под действием вибраций

D. M. Harris et al., Phys. Rev. E, 2013

Физики из Университета Париж VII и Исследовательского университета PSL обнаружили, что для случайных скачков капель по поверхности жидкости можно «обратить время», восстановив тем самым их траекторию. По словам авторов, такую систему можно описывать в терминах машины Тьюринга — абстрактного исполнителя алгоритмов. Тогда волны на поверхности жидкости играют роль ленты — носителя информации, а процедура обращения движения капли приводит к чтению и стиранию информации. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

Процессы в природе можно разделить на две большие группы — обратимые и необратимые. Обратимыми можно назвать, к примеру, равномерное движение по прямой, некоторые химические реакции, распространение волн — во всех этих случаях есть физические процессы, строго обратные выбранному. Вместе с тем, многие процессы являются необратимыми, такие как, например, диффузия, передача тепла через теплопроводность, взрыв. Одна из причин необратимости — второе начало термодинамики, которое утверждает, что некоторая характеристика изолированной системы, называемая энтропией, не может убывать. 

Необратимыми являются некоторые хаотичные процессы: это можно проиллюстрировать на примере бильярдов. Шары в традиционном бильярде движутся достаточно предсказуемо и если в какой-то момент обратить движение шара (мы можем делать это только с некоторой погрешностью), то он вернется в точку, близкую к исходной. Теперь исказим границы бильярдного стола, скруглив их, или просто добавим круглый объект в центре. Тогда погрешность измерения, которую мы привнесем, запустив шар в обратном направлении, будет все сильнее проявляться с каждым отражением и траектория в конечном итоге будет сильно отличаться от исходной.

Подобная необратимость касается систем, в которых происходит движение частиц. В отличие от них, хаотические волновые процессы, как правило, обратимы. В новой работе физики экспериментально оценили обратимость в хаотичной системе, в которой одновременно присутствуют и частицы и волны. 

При некоторых условиях всплеск на поверхности воды может привести к образованию устойчивой капли, «прыгающей» по основной массе. Ранее физики установили, что траектория ее движения хаотична. Каждый отскок капли порождает волны в жидкости, для которых один из соавторов работы уже нашел способ «обращать время вспять». Объединив экспериментальные наработки двух лабораторий, ученым удалось «обратить время» для хаотично движущейся частицы и заставить ее двигаться в обратном направлении.

В эксперименте физики использовали силиконовое масло, содержавшее магнитные частицы. С помощью магнитного поля ученые ограничивали возможные движения капель небольшой областью. «Прыжки» капли приводили к возникновению волн, которые ученые усиливали, заставляя вибрировать стенки сосуда с маслом. Для того чтобы обратить движение волн, ученые резко меняли фазу колебаний стенок сосуда на противоположную. Это в свою очередь влияло на траекторию капли — она начинала двигаться в обратном направлении.

Обращение движения капли было не полным — после нескольких отскоков по старой траектории частица «сворачивала» с нее. Таким образом в волнах на поверхности масла хранилась информация лишь о нескольких последних «прыжках». Каждый отскок после «обращения времени» приводил к возникновению волн, которые были полностью обратными к старым, сформированным на траектории до «обращения времени». Складываясь, эти колебания стирали информацию о траектории капли.

Таким образом, в системе из капли и волн жидкости можно осуществлять операции чтения, записи, хранения и стирания информации. С этой точки зрения система напоминает собой компьютер или более универсальную машину Тьюринга — абстрактный исполнитель алгоритмов. Этот абстрактный объект состоит из бесконечной ленты с данными и устройства чтения и записи. Авторы еще не придумали как использовать систему в роли полноценного вычислителя. По словам физиков, в отличие от традиционной машины Тьюринга, здесь при записи информации — отскоке капли — происходит воздействие на все поле волн жидкости. 

Ранее исследователям из Исследовательского университета PSL удалось «обратить время» для кругов на воде от источников сложной формы. К примеру, авторы добились того, чтобы круги от точек, расположенных в форме Эйфелевой башни, обращали свое направление и сходились обратно.

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.