Физики подтвердили аналогию хаотического движения активных сред и турбулентности
Французские физики обнаружили, что движение группы частиц, способных к самостоятельному активному движению, количественно аналогично турбулентному течению. Эксперимент показал, что диссипацию энергии в двумерной системе из таких самодвижущихся частиц можно описать с помощью классической статистической теории Колмогорова, которая используется для изотропной турбулентности. Эти результаты могут оказаться полезными и для исследования коллективной динамики активных объектов, и для развития теории турбулентности, пишут ученые в статье в Physical Review X.
В последнее десятилетие фокус исследований коллективного поведения активно движущихся элементов в группах слегка сместился с преимущественно биологических систем (элементов цитоскелета, бактерий или животных в стаях) на искусственно созданные объекты: микроботов, молекулярные моторы и активные коллоидные частицы. В последнем случае активные частицы обычно называют «свиммерами» — это, как правило, асимметричные частицы со своеобразным моторчиком: катализатором, вызывающим непрекращающуюся химическую реакцию, или перепадом поверхностных свойств, приводящим к движению жидкости вокруг.
Группы таких самодвижущихся частиц образуют активную среду (active matter), для которой характерны свои законы поведения, пока изученные не слишком подробно. Например, известно, в жидкостях, состоящих из активных частиц, может развиваться неупорядоченное хаотическое движение — аналог турбулентных течений в обычных жидкостях и газах, но при значительно меньших скоростях. Аналогия между обычной турбулентностью и активной до сих пор вызывает споры: в сложном нелинейном движении активных сред некоторые ученые находят только качественное сходство, другие говорят о близких подходах к описанию. Однако количественное соответствие этих двух подходов до сих пор остается под вопросом.
Французские физики под руководством Кристофа Ибера (Christophe Ybert) обнаружили, что, как минимум, для одного класса систем активная турбулентность соответствует классической турбулентности и количественно. Ученые показали, что диссипацию энергии в двумерной системе, состоящей из 30 дисковидных гелевых частиц, которые двигаются по поверхности воды под действием эффекта Марангони, можно описать с помощью классической статистической теории Колмогорова для изотропной турбулентности.
Статистическая теория, предложенная Колмогоровым в 1941 году, — один из самых разработанных подходов количественного описания турбулентности. Теория описывает развитие изотропной турбулентности при больших скоростях как каскадную диссипацию энергии. Для обычной трехмерной турбулентности это происходит в процессе распада потока жидкости на вихри все меньшего размера, а в двумерных системах (как в исследованном случае) в процессе диссипации вихри не уменьшаются, а, наоборот, растут. Статистически этот процесс описывается функцией спектральной плотности энергии, которая связывает размер вихрей со скоростью диссипации.
В результате эксперимента авторы работы выяснили, что и для движения активных частиц характерны два режима диссипации энергии — так же, как и для обычной турбулентности. Сначала процесс регулируется вязкостью, но когда размер вихрей становится достаточно большим, то происходит переход в инерциальный режим: зависимость от вязкости пропадает, и у функции спектральной плотности энергии возникает линейный в логарифмической шкале участок с показателем степени −5/3.
Ученые пишут, что движение частиц происходит при довольно низких скоростях (число Рейнольдса частиц составляло в эксперименте около 25) — и в самом течении воды, на поверхности которой расположены частицы, турбулентных течений не возникает. По словам авторов работы, это первое количественное подтверждение инерциального режима диссипации энергии в активных средах. Обнаруженная ими количественная аналогия между самодвижущимися частицами и развитием турбулентности, может помочь не только для дальнейшего исследования коллективной динамики активных сред (особенно с выраженными дальнодействующими силами), но и для развития теории турбулентности.
Проблема изучения турбулентности не только в необходимости в универсальных количественных теориях, но и в определении гидродинамических механизмов возникновения и развития самих турбулентных течений. Недавно исследователи из США и Франции сделали важный шаг в изучении этих механизмов и показали, что турбулентный каскад вызван развитием в потоке эллиптической неустойчивости, возникающей из-за резонанса между вращательным течением в сталкивающихся вихрях.
Александр Дубов
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.