Слив воды помог изучить взаимодействие черной дыры с внешним полем
Ученые пронаблюдали взаимодействие аналоговой черной дыры с внешним полем. Моделью дыры послужил вихрь, возникающий при сливе воды из резервуара. Чтобы вызвать изменения в динамике вихря, физики создавали поверхностные волны. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
Черные дыры — объекты, которые пока остаются недосягаемыми для прямого изучения. В 1981 году физик Уильям Унру предложил исследовать их с помощью моделей, которые называют аналоговыми моделями гравитации. Аналоговые модели основаны на сходствах между разными системами. В случае черных дыр заменой выступают, например, завихрения в жидкостях. Волны звука и других колебаний вокруг завихрений ведут себя подобно световым и гравитационным волнам вблизи черной дыры. Поняв, по каким законам работает аналоговая модель, можно сделать предположения о свойствах настоящих астрофизических объектов. Именно предположения: мы слишком мало знаем о черных дырах, чтобы утверждать, что водяной вихрь их имитирует правдоподобно.
До сих пор считалось, что у жидкостных моделей есть существенный недостаток. В общей теории относительности взаимодействие между черной дырой и полями вокруг нее происходит через изменение массы и углового момента дыры. В жидкостных аналоговых моделях эффективная масса и угловой момент вращения вихря определяются параметрами эксперимента, поэтому ученые ожидали, что пронаблюдать процесс взаимодействия не получится.
Сэм Патрик (Sam Patrick), Гарри Гудхью (Harry Goodhew), Циско Гудинг (Cisco Gooding) и Силк Вайнфуртнер (Silke Weinfurtner) из Ноттингемского университета и Кембриджского университета исследовали взаимодействие водяного вихря, возникающего при сливе воды, с поверхностными волнами.
Для создания аналоговой модели они использовали резервуар, в который подавали воду и одновременно сливали. В центре резервуара находилось отверстие радиусом два сантиметра, сквозь которое вода утекала — фактически физики изучали процесс, очень похож на обычный слив в ванной. С черной дырой эту модель объединяет то, что вода, подошедшая слишком близко к сливу, уносится вниз, не имея возможности выбраться. То же самое происходит с объектами, попадающими за горизонт событий.
Как только скорость поступления и высота воды в резервуаре принимали постоянные значения, на поверхности жидкости с помощью поршней начинали создавать волны. Ученые замеряли, насколько после этого изменилась высота воды.
Несмотря на фиксированные параметры эксперимента, изменения в высоте вихря были настолько сильными, что наблюдались даже невооруженным взглядом. Этот эффект имеет простое объяснение: когда волны приближаются к сливу, они выталкивают больше воды в отверстие.
В жидкостной модели впервые удалось пронаблюдать процесс, аналогичный изменению свойств черной дыры в результате взаимодействия с внешним полем. Убывание количества воды в вихре соответствует переходу энергии и углового момента от волн к самой черной дыре. Описанную систему можно использовать для изучения обратной реакции из-за сверхизлучения и излучения Хокинга.
Мы уже писали о том, что физикам удалось увидеть излучение Хокинга от аналоговой черной дыры и измерить его тепловой спектр.
Екатерина Назарова
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.