Ван Гог — пророк квантового мира? Учёные доказали: вихри на «Звёздной ночи» Ван Гога подчиняются законам физики

Взгляните на «Звёздную ночь» Ван Гога. Что вы видите? Неистовые, почти живые мазки, закручивающие ночное небо в спирали света и тьмы. Кажется, будто художник запечатлел не просто пейзаж, а саму энергию, скрытую в мироздании. А что, если я скажу вам, что эти вихри, рождённые гением постимпрессионизма, поразительно напоминают явление, которое физики смогли наблюдать лишь недавно, в условиях, далёких от нашего повседневного опыта — в мире квантовых жидкостей при температуре, близкой к абсолютному нулю?

Это не просто красивая метафора. Недавнее открытие, сделанное учёными из Японии и Южной Кореи, проводит неожиданную, но глубокую параллель между искусством и фундаментальной физикой, раскрывая красоту турбулентности на самом глубоком, квантовом уровне.

От облаков к абсолютному нулю: что такое неустойчивость?

Давайте начнём с чего-то знакомого. Вы наверняка видели, как ветер гонит рябь по воде или как на небе причудливо смешиваются слои облаков. За этими явлениями стоит один и тот же физический принцип — неустойчивость Кельвина-Гельмгольца (НКГ). Она возникает на границе двух сред (например, воздуха и воды), которые движутся с разными скоростями. Одна среда как бы «цепляется» за другую, порождая волны, которые со временем могут закручиваться в вихри.

Это классика гидродинамики, известная уже почти полтора века. Но физиков давно мучил вопрос: а что произойдёт, если перенести этот сценарий в квантовый мир, где привычные нам законы перестают работать?

Чтобы найти ответ, исследователи обратились к одному из самых странных состояний материи — конденсату Бозе-Эйнштейна (КБЭ). Представьте, что вы охлаждаете атомы газа (в данном случае, лития) почти до абсолютного нуля (-273,15 °C). При такой экстремальной температуре атомы теряют свою индивидуальность и начинают вести себя как единый гигантский «суператом», подчиняющийся законам квантовой механики. Это и есть КБЭ — сверхтекучая жидкость, которая может течь без трения и демонстрировать поразительные свойства.

Танец на границе: как «поймали» квантовый вихрь

Эксперимент был по-своему изящен. Учёные создали два потока такого квантового конденсата, движущихся с разной скоростью. На границе между ними, как и предсказывала классическая теория, начали формироваться волнообразные «пальцы». Но затем произошло нечто совершенно иное. Вместо хаотичной турбулентности, привычной нам по речным порогам, возникли упорядоченные и крайне необычные вихри.

Именно здесь и скрывалась главная загадка. Эти вихри оказались не просто квантовыми аналогами водяных воронок. Они представляли собой ранее невиданный тип топологических дефектов — эксцентричные дробные скирмионы (ЭДС). Звучит сложно, правда? Давайте разберёмся.

Лунный серп в квантовом мире: что такое скирмион?

Сначала о том, что такое обычный скирмион. Представьте себе крошечный магнитный «ёжик», у которого «иголки» (векторы спина) закручены в сложную, устойчивую структуру, похожую на узел или вихрь. Эти структуры невероятно стабильны и малы, из-за чего их считают перспективной основой для будущих устройств памяти и спинтроники — электроники, использующей не только заряд, но и спин электрона. Обычно скирмионы симметричны, как идеально закрученная воронка.

Но то, что увидели физики в своём эксперименте, было другим. Их скирмионы были:

• Эксцентричными: Они имели не круглую, а серповидную форму, как полумесяц.
• Дробными: Их топологический заряд (условная «степень закрученности») был не целым числом.
• С сингулярностями: Внутри серпа содержались особые точки, где упорядоченная структура вихря резко «ломалась».

Именно эта серповидная форма с её внутренними искажениями и заставила одного из авторов исследования, Хиромицу Такэути, вспомнить о «Звёздной ночи». «По-моему, — говорит он, — большой полумесяц в правом верхнем углу картины выглядит в точности как ЭДС».

За гранью живописи: почему это важно?

Конечно, сходство с картиной Ван Гога — это в первую очередь красивый образ, помогающий нам, не-физикам, представить себе эти экзотические объекты. Но научная ценность открытия гораздо глубже.

Во-первых, оно открывает дверь к созданию и изучению новых типов скирмионов. Если мы научимся управлять такими сложными структурами, возможно, это приведёт к появлению ещё более совершенных технологий.

Во-вторых, и это, пожалуй, самое главное, ЭДС бросают вызов существующим теориям. Их сложная структура со встроенными «разломами» не вписывается в привычные топологические классификации. Это значит, что физикам придётся пересмотреть некоторые фундаментальные представления о том, как могут быть устроены дефекты в квантовых системах. Это тот тип открытия, который не просто даёт ответ, а задаёт множество новых, ещё более интересных вопросов.

Что дальше? Команда планирует провести более точные измерения, чтобы проверить старые теоретические предсказания о волнах, порождаемых НКГ. Но главное — они открыли целый новый зоопарк квантовых явлений. Кто знает, какие ещё удивительные структуры скрываются в других многокомпонентных системах, ожидая, пока их обнаружат?

Так что в следующий раз, когда будете смотреть на «Звёздную ночь», вспомните, что её безумные вихри — не только плод воображения гения. Это ещё и отголосок фундаментальных законов природы, управляющих танцем материи на границе между порядком и хаосом — как в клубящихся облаках над нашими головами, так и в капле квантовой жидкости, охлаждённой до безмолвия космоса.