Как вода имитирует космос
Исследователи из Университета Лилля во Франции под руководством физика Жан-Пьера Мартишанга случайно обнаружили необычный эффект: капли воды на горизонтальной мыльной поверхности ведут себя совсем не так, как ожидалось. Вместо того чтобы просто растекаться, они образуют устойчивые линзообразные структуры и начинают взаимодействовать друг с другом. Результаты исследования были опубликованы в престижном научном журнале PNAS Nexus, который выпускается Национальной академией наук США.
Своим весом капля воды прогибает мыльную пленку книзу, и именно это прогибание заставляет соседние капли притягиваться друг к другу, вращаться по орбите и в конце концов сливаться воедино. Все это происходит в масштабе миллиметров и секунд, но формы и динамика удивительно напоминают столкновение галактик в космосе — где расстояния измеряются тысячами световых лет, а время — миллионами лет.
Проблема в том, что капли воды на мыльной пленке почти прозрачны и разглядеть их невооруженным глазом трудно. Чтобы визуализировать их, исследователи из Университета Лилля во Франции использовали хитрый оптический прием. Они воспользовались тем фактом, что каждая капля действует как линза — она размывает изображение. Под мыльную пленку поместили рандомизированный узор из точек, а затем нанесли на карту те места, где этот узор оказался размытым. Так и удалось восстановить расположение и форму невидимых глазу капель.
Гравитация в двух измерениях
Математический анализ показал, что притяжение двух капель на мыльной пленке подчиняется тем же законам, что и гравитационное притяжение двух космических тел — но не в трех измерениях, как в реальном космосе, а в двух. Получается своего рода «плоская гравитация». При этом в сливающихся каплях воды исследователи заметили структуры, которые обычно наблюдают в сталкивающихся галактиках: например, так называемые мосты (перемычки из вещества между двумя объектами) и спиральные рукава — длинные изогнутые области, которые закручиваются вокруг центра. К примеру, это явление можно наблюдать в Млечном Пути и Туманности Андромеды.
Пока ученые не могут с уверенностью сказать, что слияние капель подчиняется именно законам гравитации. Однако визуальное и математическое сходство настолько велико, что мыльная пленка с каплями может стать лабораторной моделью для изучения космических катастроф — без необходимости наблюдать за реальными галактиками миллиарды лет.
Как только физики полностью поймут математику слияния капель воды на мыльной пленке, они получат мощный инструмент для изучения явлений, которые в реальной вселенной длятся целые геологические эпохи. Одна секунда в лаборатории соответствует примерно 460 миллионам лет жизни сливающихся галактик. Иными словами, ученые смогут «прокрутить» космическую катастрофу за несколько минут вместо того, чтобы ждать тысячелетия.
Это открытие дает надежду на то, что физику гравитации и динамику слияния галактик можно изучать на простых и дешевых лабораторных моделях, не дожидаясь новых данных с телескопов.
