Та же физика, которая придает торнадо их невероятную устойчивость, лежит в основе нового исследования Вашингтонского университета и может помочь лучше понять ядерную динамику при изучении деления ядер, сверхпроводимости и работы нейтронных звезд.
Цель работы с вихревыми кольцами
Цель работы — прояснить, что именно наблюдали исследователи из Массачусетского технологического института, когда в 2013 году назвали загадочное явление — необычную долгоживущую волну, которая распространялась в газе из холодных атомов гораздо медленнее, чем ожидалось. Они назвали эту волну «тяжелым солитоном» и заявили, что она не поддается теоретическому описанию.
Однако в ходе одного из крупнейших в истории суперкомпьютерных вычислений физики из Вашингтонского университета Аурел Булгак, Майкл Форбс и их соавторы пришли к выводу, что это был случай ошибочной идентификации: тяжелые солитоны, наблюдавшиеся в ходе предыдущего эксперимента, скорее всего, представляли собой вихревые кольца — своего рода квантовый эквивалент дымовых колец.
«Интерпретация эксперимента не соответствовала теоретическим ожиданиям, — сказал Булгак. — Нам нужно было понять, что там на самом деле происходит. Было неясно, что это — то или другое, так что пришлось немного покопаться».
Вихревое кольцо — это явление, при котором жидкость или газ образуют замкнутую, обычно круговую, петлю. Физические законы, лежащие в основе вихревых колец, те же, что и те, что обеспечивают устойчивость торнадо, вулканических извержений и грибовидных облаков. (Дельфины создают вихревые кольца в воде ради развлечения.)
«Используя самые современные вычислительные методы, мы с помощью моделирования продемонстрировали, что практически все аспекты результатов, полученных в Массачусетском технологическом институте, можно объяснить с помощью вихревых колец», — сказал Форбс, профессор-аффилиат Вашингтонского университета, который в январе стал доцентом кафедры физики в Университете штата Вашингтон.
По его словам, использованное ими моделирование «может в корне изменить подход к решению некоторых физических задач в будущем», например к изучению ядерных реакций без проведения ядерных испытаний. Что касается нейтронных звезд, то, по его словам, эта работа также может помочь лучше понять «сбои» — резкое увеличение частоты пульсаций таких звезд, которое может быть вызвано вихревыми взаимодействиями внутри звезды.
«Сейчас мы подошли к переломному моменту, когда наших вычислительных мощностей становится достаточно, чтобы пролить свет на эту давнюю проблему. Это одно из наших текущих направлений исследований — непосредственное применение того, что мы узнали о вихревых кольцах», — сказал Форбс.
Вычисления для исследования — одного из крупнейших прямых численных симуляций в истории — проводились на суперкомпьютере Titan в Окриджской национальной лаборатории в Теннесси, самом мощном в стране компьютере для открытой науки. Работа также выполнялась на высокопроизводительном компьютерном кластере Hyak в Вашингтонском университете.