Выход в четвёртое измерение

Термин «четвёртое измерение» заезжен маркетологами, пытающимися подчеркнуть сомнительные преимущества отдельных звуковых и кинотеатральных решений, систем виртуальной реальности и 3D-принтеров. Однако в мире физики понятие четвёртого измерения уже приобрело совершенно реальный смысл. И оно помогает учёным создавать такие метаматериалы, которые ещё вчера рассматривались как нечто из сферы научной фантастики.

Наше существование в заурядной трёхмерной реальности ограничено восприятием расстояний и размеров предметов по трём координатам: X, Y и Z. Учёные же дополняют их математическими вычислениями, создавая новые «синтетические» измерения, выходящие за пределы восприятия наших органов чувств. Такой подход позволяет с помощью математического аппарата придавать системам физические свойства, которые раньше были невозможны и немыслимы.

Странный брусок

Учёные из лаборатории динамики и структурированных материалов при Миссурийском университете опубликовали в журнале Science Advances детальное описание нового метаматериала, который они получили с помощью четвёртого измерения. Новый метаматериал точно направляет вибрационные волны, распространяющиеся по его поверхности.

Открытие сделано с использованием аппарата топологической математики, оперирующей формами и их распределением в пространстве. В последнее десятилетие учёные удостоверились, что именно топология предоставляет ключ к глубокому пониманию свойств метаматериалов. Сотрудники Миссурийского университета сообщают об эффекте «топологической накачки», который «позволяет волнам упорядоченно распространяться по образцу».

В лаборатории был спроектирован, заказан в мастерской и исследован прямоугольный металлический брусок со сложной регулярной структурой поверхности. Вибрации распространялись по ней строго по диагонали - из угла в угол, причём при удалении части структуры эффект сохранялся. Погрешности изготовления поверхностной структуры мало влияли на свойства образца.

Практическое приложение

Руководитель группы американских исследователей Гуолян Хуан признаёт, что пока они находятся в самом начале пути. Впереди - бесчисленные эксперименты, пробы и ошибки в попытках нащупать способы практического применения нового явления. «Большая часть энергии землетрясения, а именно 90%, направлена вдоль поверхности земли, - размышляет Хуан. - Под фундамент здания можно положить "четырёхмерные подушки", которые отведут энергию колебаний в сторону и тем самым предотвратят разрушение дома во время землетрясения».

Группа Хуана также разработала топологию для разветвителя поверхностного вибрационного сигнала. Это устройство разделяет волновой поток на левую и правую части, постепенно поворачивая фазы (ϕ) их колебаний - слева от 0,6 π до 1,4 π, а справа от 1,4 до 0,6 π. Разветвитель снабжён топологической защитой, то есть не пропускает волны в обратном направлении.

Вполне возможно, что в один прекрасный день изобретение начнут использовать для снижения вибраций в двигателях внутреннего сгорания, в газовых и ветровых турбинах, для концентрации волновой энергии перед её преобразованием в электричество и в других целях.

Как сделать чудо

Нет сомнений, что вслед за поверхностным волноводом и разветвителем будут созданы и другие элементарные устройства, после чего появится возможность собирать какие-то простейшие логические и вычислительные схемы, работающие на вибрационных энергетических потоках. Вероятно, читатель спросит: а при чём тут четвёртое измерение?

Конечно же этот вопрос скорее касается философии восприятия, а не физики. Давайте вспомним классический пример с «плоскатиком» - умозрительным персонажем, находящимся в двумерном пространстве. Для наглядности представьте это пространство как лист тончайшей бумаги. Человек, существующий в трёхмерном пространстве, понимает, что лист бумаги можно согнуть и свернуть в трубочку. Части сложенной бумаги соприкоснутся, и в месте их соприкосновения можно будет перескочить с одной части листа на другую. «Плоскатик» воспримет этот перескок как чудо: моментальное исчезновение в одном месте и появление в другом, до которого обычно нужно ползти дни и ночи. Поскольку ощущениям «плоскатика» третье измерение недоступно, он будет строить различные гипотезы и теории о механизме чуда, мучаясь вопросами, которые для человека трёхмерной реальности очевидны.

Исследованный учёными образец представляет собой причудливо обработанный с одной стороны кусок металла, обладающий анизотропией по отношению к поверхностным волнам. По виду структуры невозможно предположить, почему волны движутся только по одной диагонали и отказываются идти в других направлениях. Можно, уподобясь «плоскатику», только строить гипотезы и теории. Ну а если серьёзно, то волновую анизотропию вполне удобно рассматривать как недоступное органам чувств четвёртое измерение, в котором параметр волновой проводимости меняется от низкой величины до высокой. Поскольку на X, Y, Z латиница заканчивается, обозначим четвёртую координату четвёртой же буквой греческого алфавита - Δ.

Берём шире

Выход науки в новые измерения манифестирует себя в разных направлениях. Например, существуют материалы, проводимость которых зависит от места её измерения. Топологические изоляторы проводят электрический ток по поверхностям и совершенно не проводят внутри, хотя для энергетики лучше было бы наоборот, чтобы снизить затраты на изоляцию проводов.

Возможность управлять характеристиками материалов в невидимом измерении Δ, на которую натолкнулись учёные из Миссурийского университета, сулит прорыв в технологиях автоматизации. Например, в прецизионных исполнительных механизмах (таких, как объективы фото- и видеотехники) используются ультразвуковые двигатели, в которых рабочим элементом служит пьезоэлектрическая керамика. Несмотря на малую мощность, такой двигатель обладает высоким КПД, порой превышающим 90%. Электрические колебания непосредственно преобразуются во вращательное движение ротора, при этом крутящий момент, получаемый на валу двигателя, столь велик, что механический редуктор ему не требуется.

Из-за хрупкости пьезокерамики в силовых приводах промышленного назначения ультразвуковые моторы не используются, но открытое группой Хуана явление направленного переноса энергии позволяет физически разнести вал двигателя и вибратор, обезопасив керамику от сильных нагрузок и ударов. Если будут решены чисто конструкторские проблемы, получится надёжный и эффективный малооборотный безредукторный двигатель.

«Сконструированный нами метаматериал рассчитан на короткие ультразвуковые волны, - пишут исследователи, - поэтому мы имеем возможность получить дисперсию разных видов по отношению к квазимоменту колебаний. Сюда входит модуляция волн в вертикальном направлении, открывающая совершенно новое поле для исследований». Ну что же, будем ждать новых прорывов в физике и энергетике!