Исследование появится на этой неделе в журнале Science. Исследователи заявили, что их экспериментальная система может дать подсказки о физике, лежащей в основе волн-убийц — 100-футовых стенах воды, которые являются предметом мореплавания, но были научно подтверждены только в течение последних двух десятилетий. Недавние исследования показали, что волны-убийцы, которые могут серьезно повредить и затопить даже самые большие корабли, могут быть более распространенными, чем считалось ранее.
«Нас интересует, как развиваются самопритягивающиеся волны», — сказал ведущий ученый Рэнди Хьюлет, профессор физики и астрономии Райс Файез Сарофим. «Хотя наш эксперимент находится в квантовой области, та же физика применима к классическим волнам, в том числе к волнам воды-изгоя».В лаборатории Хьюлета используются лазеры и магнитные ловушки для охлаждения крошечных облаков атомного газа до температуры, превышающей одну миллионную градуса выше абсолютного нуля, а температура намного ниже, чем в самых глубоких уголках космоса. В этой экстремальной ситуации центральное место занимают квантово-механические эффекты. Атомы можно заставить двигаться синхронно, мгновенно исчезать или объединяться в пары, как электроны в сверхпроводниках.
В 2002 году команда Хьюлета создала первые «солитонные поезда» в ультрахолодной атомной материи. Солитоны не уменьшаются, не растекаются и не меняют форму при движении. В 2014 году Хьюлет и его коллеги показали, что два солитона материальной волны, движущиеся в противоположных направлениях в ловушке, на короткое время перестанут существовать, а не будут делить пространство, проходя через друг друга.Результаты, полученные в 2002 и 2014 годах, были удивительно похожи на поведение, наблюдаемое в солитонах водных волн в канале в середине XIX века шотландским инженером Джоном Скоттом Расселом.
Он никогда не терял своего увлечения солитонами и построил модель канала в саду за своим домом, чтобы изучать их. Например, он был первым, кто показал, что две волны, движущиеся в противоположных направлениях, могут проходить через друг друга без взаимодействия.
Математически солитоны являются результатом нелинейного притяжения, при котором входные данные оказывают несоразмерное влияние на выход. И любая волновая нелинейная система — будь то волны воды в глубоком океане или волны ультрахолодных атомов в ловушке — подвержена этому и другим универсальным нелинейным эффектам.В последних экспериментах Хьюлет, ученый-исследователь Джейсон Нгуен и аспирант Де «Генри» Луо использовали отталкивающие взаимодействия, чтобы создать сигарообразную материальную волну, известную как конденсат Бозе-Эйнштейна. Быстро переключив взаимодействия на привлекательные, исследователи заставили газ претерпеть «модуляционную нестабильность», нелинейный эффект, в результате которого в системе усиливаются небольшие случайные возмущения.
«Условия определяют, какие возмущения усиливаются», — сказал Нгуен, ведущий автор новой статьи. «Когда это произойдет, конденсат Бозе-Эйнштейна разделится на последовательность отдельных солитонов, разделенных дискретными пространствами».Получившаяся в результате последовательность солитонов — это то, что команда Хьюлета впервые создала в 2002 году, но Луо сказал, что новое исследование является первым экспериментальным исследованием физики, лежащей в основе системы, чтобы определить, является ли структура последовательности солитонов производной от начальных условий или динамически развивается по мере того, как система реагирует на эти условия. Нгуен, Луо и Хьюлет смогли ответить на этот вопрос, систематически меняя условия в своих экспериментах и делая снимки солитонных поездов каждые две миллисекунды на протяжении всего эксперимента.«Мы обнаружили, что при определенных условиях количество солитонов остается неизменным», — сказал Луо. «Это свидетельство того, что последовательность солитонов рождается со стабильными характеристиками, а не превращается в такую стабильную структуру с течением времени».
В более чем одном исследовании за последнее десятилетие физики и математики пытались описать поведение волн-убийц, используя математику, аналогичную той, которая используется для описания квантовых систем, и Хьюлет сказал, что ультрахолодные атомные эксперименты обеспечивают идеальную платформу для проверки новых теорий о динамика волны-убийцы.«Воссоздание точных условий, которые вызывают волну солитона-изгоя в океане, будет трудным даже в большом волновом резервуаре», — сказал Хьюлет. «Люди пытаются это сделать, но мы можем получить представление о формировании солитонов, изучая их образование в квантовом, а не в классическом режиме».