Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Письма с небес

Магия льда не нуждается в представлении. Мультфильм «Холодное сердце» был настолько популярным, что привел к 37-процентному увеличению потока американских туристов в Норвегию – хотя его действие происходит вовсе не там. В путешествии внутрь мира ледяного кристалла обнаруживается одно из моих любимых проявлений кристаллической магии.

Два нерушимых закона мироздания гласят, что скорость света в вакууме постоянна и ничто не может двигаться быстрее ее. Но, если вы окажетесь внутри кристалла льда, вы обнаружите, что скорость света в нем составляет всего лишь около трех четвертых обычной. Она по-прежнему постоянна, но имеет другое постоянное значение. А знаете, что по-настоящему холодит кровь (оцените игру слов)? То, что в этом ледяном мире другие частицы могут двигаться быстрее света! Никакой закон не запрещает превышать скорость света во льду – только в вакууме. Элементарные частицы, которые называются мюонами, постоянно прилетают в виде космических лучей (каждую секунду сквозь вас проходит около 30 таких частиц, не причиняя вам никакого вреда) и то и дело пролетают сквозь лед быстрее света. Когда при взмахе кнутом его кончик переходит звуковой барьер, раздается резкий щелчок; точно так же мюоны, пролетающие сквозь лед, создают ударную волну синего света, который называют черенковским излучением. Это свойство использует и нейтринная обсерватория IceCube[39], находящаяся глубоко подо льдами Антарктиды. В этом эксперименте ищут нейтрино – призрачные элементарные частицы, известные тем, как трудно их обнаружить. Экспериментальная установка регистрирует вспышки черенковского излучения, возникающие при рождении мюонов в результате взаимодействия нейтрино с молекулами воды, из которых состоит лед. Проект IceCube играет ключевую роль в поисках темной материи, потому что предполагается, что нейтрино являются измеримым продуктом распада некоторых частиц, которые могут составлять темную материю.

Я заинтересовался симметрией снежинок, когда увидел, как они растут, в документальном сериале «Замерзшая планета» (Frozen Planet) производства Би-би-си. Откуда один луч узнает, что происходит с остальными? Я попытался поспрашивать об этом на физическом факультете, но, к моему удивлению, ответа на этот вопрос, по-видимому, никто не знал. Тогда я организовал проект, в котором студент магистратуры должен был написать программу, моделирующую рост снежинки. В начале всякого исследовательского проекта нужно выяснить, что уже было сделано. Мы узнали, что специалистом мирового уровня по снежинкам считается профессор Кеннет Либбрехт, бывший глава факультета астрофизики Калифорнийского технологического института. В титрах «Холодного сердца» он назван «консультантом по снежинкам», а кроме того, он участвовал в создании той серии «Замерзшей планеты», которая и вдохновила меня на эту работу. У самого Либбрехта интерес к снежинкам возник, когда он приезжал в свой родной промерзший город в штате Северная Дакота. Стремясь как можно глубже понять источники их красоты, он установил у себя в гараже камеру, в которой можно было растить и фотографировать снежинки.

Мы со студентом связались с Либбрехтом. Он не только помог нам разработать компьютерную модель, но и дал простой ответ на вопрос о том, почему все шесть лучей снежинки выглядят одинаково. Они растут в облаках, начиная с мельчайших сгустков порядка половины миллиметра в поперечнике. В каждый момент на рост кристалла влияют две вещи: температура и «перенасыщение» в ближайшей окрестности снежинки. Когда воздух перенасыщен водой, в нем содержится больше водяного пара, чем могло бы содержаться в присутствии твердой поверхности. Например, если бы рядом оказалась трава, вода осаждалась бы на ней в виде росы. В облаке единственные твердые объекты – это сами снежинки, и поэтому перенасыщение совершенно необходимо для роста снежинок.

Летая по облаку, снежинка попадает в разные условия, и ее рост то и дело изменяется. Поскольку никакие две снежинки не следуют в точности по одному и тому же маршруту, не может получиться двух одинаковых снежинок. Но все шесть лучей каждой снежинки в каждый момент оказываются приблизительно в одних и тех же условиях и потому выглядят одинаково. Однако Либбрехт рассказал нам, что этим дело не ограничивается.

Важные для роста снежинок факторы впервые выявил профессор Укисиро Накайя (1900–1962), создатель первых искусственных снежинок. Когда Накайя начинал работать профессором физики в университете Хоккайдо, у него было мало оборудования, но сколько угодно снега. Им-то он и занялся и создал первый в мире снежный кристалл, выращенный в лаборатории (на кончике кроличьей шерстинки). Тщательно контролируя условия роста, Накайя составил так называемую диаграмму Накайи, которая показывает, какого типа снежинки вырастают при тех или иных температурах и уровнях перенасыщения.

Диаграмма роста снежинок Накайи