Российские и британские ученые впервые вывели одно из фундаментальных уравнений физики, позволяющее теоретически вычислить предел, до которого жидкость остается жидкостью. Уравнение основано на фундаментальных природных константах.
Известно, что жидкости становятся более густыми при охлаждении и более жидкими при нагревании. Если их продолжать нагревать, жидкости начинают кипеть и переходят в газообразное состояние. В точке перехода состояния, которая зависит не только от температуры, но и от давления, жидкость обладает минимальной вязкостью. Это и есть предел текучести.
Традиционно считается, что вязкость невозможно рассчитать теоретически, поскольку она сложным образом зависит от структуры жидкости, ее состава, химических взаимодействий, а также от внешних условий. Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг сравнил сложность расчета вязкости воды с проблемой вычисления фундаментальных физических констант, лежащих в основе структуры нашей Вселенной.
Несмотря на все трудности Косте Траченко из Лондонского университета королевы Марии и Вадиму Бражкину, российскому ученому, директору института физики высоких давлений РАН, это удалось.
При этом в полученном учеными уравнении предела текучести используются две фундаментальные физические константы — измеримыми свойствами физической природы, которые не меняются — минимальное значение элементарной вязкости, представляющее собой произведение вязкости и объема на молекулу, и постоянной Планка, которая управляет квантовым миром — безразмерным отношением массы протона к электрону.
«Этот результат поразителен, — приводятся в пресс-релизе Лондонского университета королевы Марии слова профессора Кости Траченко. — Вязкость — сложное свойство, сильно различающееся для разных жидкостей и внешних условий. Однако оказалось, что значение минимальной вязкости для всех жидкостей может быть простым и универсальным».
У открытия есть реальное практическое применение. Во-первых, новое уравнение будет полезным при создании новых жидкостей сверхнизкой вязкости для различных химических, промышленных или биологических процессов. Оно покажет тот предел, за который нет смысла стремиться, впустую расходуя ресурсы. Одним из примеров, где это важно, является недавнее использование сверхкритических жидкостей для экологически чистых способов обработки и растворения сложных отходов.
Во-вторых, так как полученное ограничение является фундаментальным, то есть основывается на базовых физических константах, открытие можно использовать для описания процессов, происходящих во Вселенной в целом, например, для определения так называемой «обитаемой зоны», где могут образовываться звезды и планеты, возникать жизненно важные молекулярные структуры.
«Есть признаки того, что фундаментальный нижний предел вязкости жидкости может быть связан с очень разными областями физики: черными дырами, а также новым состоянием вещества, кварк-глюонной плазмой, которая появляется при очень высоких температурах и давлениях. Изучение и оценка этих и других связей — вот что делает исследование таким захватывающим», — отмечает академик Бражкин.