Физик Сидни Нагель с удовольствием разгадывает тайны Вселенной, которые скрываются на виду. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Сидни Нагель, изображенный в своем кабинете в Чикагском университете, озабочен пятнами от кофе, пробками на дорогах и «всеми законами природы, а не только теми, которые кажутся эзотерическими и глубокими».
Введение
Пятно, высыхающее на стойке. Капля дождя, падающая на тротуар. Куча гравия, оседающая на землю. Исторически подобные явления редко привлекали внимание физиков, поскольку кажутся обыденными и лишенными фундаментального смысла. В то же время эти повседневные явления обманчиво сложны для понимания. Неуравновешенные и беспорядочные, они находятся вне зоны комфорта типичного физика.
Но Сидни Нагель из Чикагского университета нетипичен. В 1970-х годах он начал свою карьеру с изучения структуры стекла — традиционной темы физики конденсированного состояния. Затем он переключился на более причудливые, мягкие формы материи, которые физическое сообщество в основном игнорировало.
Нагель и его коллеги разработали теории «заторов», помогающие объяснить движение (или его отсутствие) как песка, так и дорожного движения. Они также обнаружили новые явления, связанные с каплями и брызгами.
«Я глубоко и непреложно убежден, что если присмотреться к чему-либо достаточно внимательно, то можно найти новые богатства», — сказал Нагель.
Несмотря на всю неортодоксальность его работы, они оказали огромное влияние и получили широкое признание: в 1999 году Нагель получил премию Оливера Э. Бакли, одну из самых престижных наград в области физики конденсированного состояния, а в 2023 году — медаль Американского физического общества за исключительные достижения в исследованиях.
Он также прилагает огромные усилия, чтобы создавать эстетически привлекательные визуальные образы в ходе своих исследований. Изображения его экспериментов украшают стены музеев, и Нагель, похоже, гордится этим достижением не меньше, чем своими открытиями. «Когда люди видят это изображение на стене, я надеюсь, оно обогащает их», — сказал он. «Важно, что для того, чтобы взглянуть на него, требуется полноценный человек» — человек, способный ценить и искусство, и науку. Здесь задействован не один аспект».
Quanta встретился с Нагелем во время заседания Американского физического общества в Анахайме в марте. Мы сидели на каменной скамье под калифорнийским солнцем и говорили о кофейных пятнах, неожиданных брызгах и роли эстетики в его научной практике. Интервью сокращено и отредактировано для ясности.
Ваша самая цитируемая статья была о кольцеобразных пятнах, оставляемых каплями кофе на столешнице . Что вас заинтересовало?
Я не самый аккуратный человек. И мне нужен кофе каждое утро. Однажды я сидел там, ожидая, когда кофеин подействует, и заметил, что мой стол весь покрыт кофейными пятнами, оставшимися со вчерашнего дня. Я задумался: «Почему они так странно выглядят?»
Нагель однажды разгадал загадку, почему капли кофе (и других жидкостей) оставляют после себя темные круги, когда высыхают.
Что в них показалось странным?
Представьте себе каплю жидкости. Она высокая в центре и сужается к краям. Поэтому в середине капли должно быть больше кофе. Когда она высохнет, пятно должно быть темнее в центре, а по краям — пустым. Но пятна на моей стойке были наоборот. Весь кофе был на внешних краях колец. Мы спросили кучу людей, почему так происходит, и все дали разные ответы.
Как вы поняли, что происходит?
Если вы хотите понять причину чего-либо, вы должны уметь это устранить. Но это кольцевое явление было очень устойчивым. Оно проявляется практически везде — например, его можно увидеть в соляных пятнах на полу, которые вы оставляете на своих ботинках зимой. Соль скапливается по краям капель и лужиц, образовавшихся из-за таяния слякоти, стекающей с ваших ботинок. Испаряясь, капли оставляют белые кольца кристаллизованной соли.
В конце концов один из моих студентов остановил образование пятен по краям капли, накрыв её внешний край предметным стеклом, оставив открытым только центр. Это и стало ключом к размышлению над проблемой.
Так почему же весь кофе оказывается на краю?
Мы предполагали, что общая форма капли остаётся неизменной по мере испарения, что она просто равномерно уменьшается в размере — теория, восходящая к работам Томаса Янга начала XIX века. Но это не так. Капля прижимается к поверхности и затем испаряется со всей поверхности, особенно с края. Всё, что испаряется с края, должно быть восполнено потоком изнутри. Это вытягивает кофе наружу, оставляя пятно, расположенное преимущественно по краям.
В своем кабинете в Чикагском университете Нагель хранит набор игрушек и демонстрационных образцов, среди которых — устройство для изучения каскадного падения семян горчицы (вверху справа).
В своем кабинете Нагель хранит целый набор игрушек и демонстрационных моделей, например, устройство для изучения того, как падают семена горчицы (вверху в центре).
Что еще вы узнали о жидкостях?
Нам стало интересно, что происходит, когда капля ударяется о поверхность и разбивается на множество более мелких капель. Поэтому первым делом мы начали снимать эти прекрасные видеоролики с брызгами.
Но что вызывает всплеск? Можно ли контролировать его разрушение? У нас возникла идея попробовать это в вакууме. Без воздуха, замедляющего падение, мы решили, что получим более сильный и сильный всплеск.
Что случилось?
Всплеск исчез! И мы упали на пол, истерически смеясь. Когда мы наконец поднялись, то начали серьёзно изучать этот эффект. Люди изучали всплески сто лет, и никому не пришло в голову убрать из них воздух. Глупый эксперимент! Воздух в 1000 раз легче воды; это не должно иметь большого значения.
Почему это происходит?
Мы, конечно, не подумали об этом сразу, но методом исключения сосредоточились на конкуренции между каплей, пытающейся расшириться наружу после удара о поверхность, и воздухом, пытающимся удержать каплю. Обычно, когда жидкость расширяется наружу, часть воздуха проскальзывает снизу и немного приподнимает ее. Теперь край капли плавает, поэтому она может двигаться намного быстрее, чем если бы она все еще была приклеена к поверхности. Она выбрасывается наружу в короне, которая затем распадается. Без воздуха капля остается на поверхности и никогда не имеет возможности разбрызгаться. Так что брызги могут быть на Земле. Но вы не можете иметь их на Луне. Может быть, вы можете иметь их на Марсе, где есть хотя бы немного атмосферы.
На замедленном видео слева капля жидкости падает в воздухе, ударяется о поверхность и разбрызгивается, образуя корону, которая распадается на множество мельчайших капель. В вакууме (справа) разбрызгивания не происходит. Капля плавно растекается по поверхности.
На замедленном видео вверху капля жидкости падает в воздухе, ударяется о поверхность и разбрызгивается, образуя корону, которая распадается на множество мельчайших капель. В вакууме (внизу) разбрызгивания не происходит. Капля плавно растекается по поверхности.
Вы тоже смотрели на песок. Что в нём интересного?
Давайте проведём небольшой эксперимент. Насыпьте песок в ёмкость. Какова его плотность? Хорошо, напишите, что вы думаете. Теперь я несколько раз постучу по ёмкости. Высота уменьшается, а плотность растёт, причём не на много! В некоторых случаях, может быть, на 10%.
Ни один «обычный» материал так себя не ведёт. Я даю вам ёмкость с водой, и вы знаете её плотность. Но если я дам вам пробирку, полную какого-нибудь гранулированного материала — а это, в каком-то смысле, почти всё, что вы едите, — как вообще описать, что я вам дал? Вы не узнаете, пока я не расскажу вам всё, что я сделал с системой, то есть, как сильно я её встряхнул и как сильно я её потряс.
Как же нам тогда относиться к песку?
Это прекрасный пример неупорядоченного состояния, далекого от теплового равновесия. Обычно именно температура приводит, скажем, газ или жидкость в состояние равновесия, перемещая молекулы. Но чтобы в комнате накопилось достаточно энергии для того, чтобы воздух начал перестраивать песчинки, пришлось бы нагреть её в триллион раз. В этом смысле песок можно сравнить с невероятно холодным. Мы можем оставить его лежать там, и температура не приведёт его в равновесие.
В этом смысле оно очень похоже на стекло, изучением которого я начал заниматься в 70-х. Стекло — это тоже неупорядоченный, неравновесный материал, который при комнатной температуре находится в состоянии некоторой, но не полной застывания.
Исследуя форму, которую принимают капли жидкости при отрыве от земли, Нагель снимал с помощью плёночной камеры Hasselblad и высокоскоростного стробоскопа. Падающая капля прерывала лазер, вызывая вспышку.
Вы также изучали множество других явлений — форму падающих капель и полезные деформации материалов. Каким физиком вы себя считаете?
Странный.
Послушайте, я не знаю, как на это ответить. Конечно, мне нравятся вещи, которые я считаю эстетически приятными. Это очень важно для меня.
Мы потратили невероятное количество времени, пытаясь получить точные фотографии капель — не только с точки зрения физики, но и с точки зрения невыразимой красоты этого явления. Я человек. Я не просто физик. Поэтому я хочу, чтобы наше дело привлекало меня как с научной, так и с эстетической точки зрения. Кроме того, есть что-то приятное в том, чтобы видеть процесс своими глазами, а не скрывать его за каким-то чёрным ящиком или прибором, как это часто случается в некоторых областях физики.
Основная цель физики — свести мир к его фундаментальным законам и составным частям, но вы пошли в другом направлении. Почему?
Нас учат искать всё более тонкие объяснения, выводящие нас на более глубокий уровень. И я очень уважаю эту сторону физики. Моя жена — физик, изучающий элементарные частицы. Но я убеждён, что наша работа гораздо глубже. Для меня важны все способы функционирования природы, а не только те, которые кажутся эзотерическими и глубокими.
В каком-то смысле я рассматриваю занятия так называемой «фундаментальной» физикой как следование принципам «модернистской» архитектуры, где форма должна следовать за функцией — единое начинание. Но, отталкиваясь от этого единственного идеала и исследуя, например, постмодернистскую архитектуру, где здания могут обладать аспектами, не ограниченными строго своей функцией, можно получить захватывающие сооружения. Мы оградили физику от изучения таких странных вещей, но это тоже часть мира. Снобизм — утверждать, что существует только один приемлемый способ выбора проблем, достойных изучения.
Я чувствую, что в своей карьере вы столкнулись с определенным сопротивлением и скептицизмом.
Да, кое-где. Некоторые сталкивались с сопротивлением, потому что некоторые люди не считали некоторые изучаемые мной предметы «серьёзными». Другие были расстроены, потому что я делал акцент на аспектах, которые казались им ненаучными. Мы могли бы запечатлеть ту же физику, не прилагая столько же усилий для совершенствования фотографии, и это расстраивало людей. Они говорили: «Вы же учёный, вас не должны волновать такие вещи». Но для меня важно, чтобы вы затрагивали как можно больше аспектов человеческой деятельности.
Вот почему для меня идея постоянной должности так важна. В большинстве мест это не поощрялось бы, но в Чикаго ко мне отнеслись очень хорошо. Ну, разве можно дать постоянную должность тому, кто изучает кофейные пятна?
Возможно. Эту статью цитировали более 7000 раз, в том числе инженерами, разрабатывающими струйные принтеры и нанотехнологии.
Может быть, сейчас так и есть, но тогда — нет. Людям не нравилось то, что я делаю, и они мне об этом говорили. Но, знаете, я получил массу удовольствия.
Источник: www.quantamagazine.org
