Впервые о связанных «кольцевых вихрях» в 1860-х годах заговорил лорд Кельвин. Он предположил, что атомы представляют собой своеобразные торнадо, скрученные в замкнутые петли и завязаны вокруг самих себя. В представлении Кельвина всё пространство пронизывала некая жидкость − эфир. В ней каждый атом представлял собой какой-то узел.

Впрочем, «периодическая таблица химических элементов Кельвина» не была нигде опубликована и, как следствие, признана. Но идеи лорда привели к расцвету математической теории узлов, являющейся частью топологии. Позднее учёные пришли к выводу, что узлы имеют большое значение и в некоторых физических процессах.

Конечно, создать узел из воды, мягко говоря, не так просто, как из шнурка для ботинок, отмечают физики университета Чикаго Дастин Клекнер (Dustin Kleckner) и Уильям Ирвин (William Irvine). Хотя бы потому, что подобные узлы не имеют начала и конца как шнурок. Простейшие примеры подобных структур: узел трилистник и связь Хопфа (Hopf link).

Для того чтобы связать в подобный узел водяной поток, необходимо скрутить его в определённой области жидкости. Клекнер и Ирвин создали подобные структуры в воде при помощи напечатанных на 3D-принтере моделей узлов, которые на срезе имели форму крыла самолёта или подводного крыла.

Многим известно, что крыло самолёта заставляет потоки воздуха в атмосфере вращаться, закручиваться в виде вихрей. Благодаря происходящим при этом процессам появляется подъёмная сила, которая заставляет самолёт взмывать в небо. Когда же крыло начинает резко останавливаться, образуются два вихря, которые раскручиваются в противоположных направлениях.

Американские исследователи поместили свои пластиковые модели узлов в бак с водой и придали им внезапное ускорение для создания завязанной структуры.

Но как проверить, что в реальности физики получили именно то, что хотели? Проявить узлы в воде помог особый метод визуализации. Обычно для понимания, как движутся потоки в жидкости, учёные используют красящие вещества. Ирвин и Клекнер ввели в систему маленькие пузырьки газа, которые направлялись к центру завязанного вихря выталкивающими силами, производимыми движением пластиковых заготовок.

Высокоскоростной лазерный сканер, который делал снимки жидкости 76 тысяч раз в секунду, помог учёным понять, как двигались пузырьки. Реконструировав происходящее, физики увидели и узлы. В дальнейшем учёные хотят попробовать создать из воды более сложные структуры.

«Авторы работы добились больших успехов, визуализировав завязанные вихри», — комментирует достижение американцев физик Марк Дэннис (Mark Dennis) из университета Бристоля, который в своё время смог завязать в вихри световые лучи.

Последнее исследование, по его мнению, делает абстрактные рассуждения о физических процессах с участием узлов в идеи, которые можно будет проверить в лабораторных условиях.

«Завязанные в узлы вихревые потоки – идеальная модельная система, позволяющая нам во всех подробностях изучить самостоятельное распутывание узлов в реальных физических процессах», — говорит Ирвин.

Добавим, что в данном случае речь идёт не столько о более понятных для обычного человека падающих верёвках, спагетти и льющемся мёде или движении волос в конском хвосте. Речь о более сложных процессах. Связанные вихри присутствуют в разных областях физики. Так учёные, изучающие элементарные частицы, предположили, что глюболы (glueball) — гипотетические агломераты глюонов — частиц, связывающих кварки для образования фотонов и нейтронов, — представляют собой плотно завязанные квантовые поля.

Кроме того, недавно астрономы показали, что расслабляются («развязываются») завязанные магнитные поля, которые могут отвечать за перенос тепла в солнечную корону или внешнюю атмосферу светила. Этот процесс объясняет, почему плазма в этой области звезды гораздо горячее, чем на поверхности.

Разработка физиков из Чикаго также поможет понять сверхпроводимость, сверхтекучесть жидкости и поведение жидких кристаллов.