Наука Гарри Поттера. Завораживающие знания, лежащие в основе магии, гаджетов, зелий и многого другого

Звуковые волны могут оказывать заметное давление на поверхности, с которыми соприкасаются. Это называется давлением акустического излучения или силой акустического излучения. И если амплитуда (громкость) ультразвуковой волны достаточно велика, такая волна может нести достаточно энергии, чтобы обеспечивать левитацию.

Акустическая левитация использует громкоговоритель или преобразователь для создания звуковых волн с частотой выше 20 000 Герц, известных как ультразвук, поскольку они недоступны человеческому слуху. Как и любые звуковые волны, при столкновении с себе подобными они вступают в интерференцию и создают результирующую картину, представляющую собой комбинацию волн. Если идентичные звуковые волны распространяются в противоположных направлениях, то в результате их столкновения может возникнуть стоячая волна.

В стоячих волнах образуются зоны, где давление варьируется между максимальным и минимальным, называемые пучностями, и зоны, лежащие между пучностями, где повышенное давление вообще не изменяется, называемые узлами. Последние представляют собой стабильные области, в которых предметы можно левитировать при условии, что они достаточно маленькие и легкие. Объекты обычно ограничены размером от четверти до половины длины волны звуковых волн, который составляет около 17 миллиметров или меньше. На практике успешные эксперименты проводились с предметами размером не более 4 миллиметров.

С помощью этой системы левитировали шарики из полистирола, капли воды, муравьев, божьих коровок и крошечных рыбок. Другие системы использовали несколько источников звука для манипулирования такими объектами, как маленькие шурупы, спички и светодиоды. Управляя звуком, издаваемым каждым отдельным динамиком, объекты можно левитировать в стабильных областях, а также перемещать, аналогично заклинанию Локомотор.

Итак, что насчет левитации пера, как это проделала Гермиона в «Философском камне»? Мы задали этот вопрос Азьеру Марцо, исследующему акустическую левитацию в Бристольском университете. Он не ставил подобного эксперимента прежде, но через несколько недель после нашего запроса прислал ссылку на видео, в котором, да, перо успешно левитируется. Перо было всего около сантиметра, но это доказало, что акустическую левитацию можно использовать для создания эффектов, подобных результатам действия заклинания.

Диамагнитная ферровитация

Вы наверняка знакомы с эффектом, который магнетизм оказывает на материалы, содержащие железо. Железо, как и другие ферромагнитные материалы, например кобальт или никель, сильно притягивается к магнитным полям.

Ферромагнетизм – наиболее известная форма магнетизма, но есть и другие, такие как парамагнетизм и диамагнетизм. Парамагнитные материалы слабо притягиваются к внешнему магнитному полю, тогда как материалы с диамагнитными свойствами имеют тенденцию им отталкиваться.

Диамагнетизм действует на все материалы (а не только на металлы), вызывая относительно слабое отталкивание при попадании в сильное магнитное поле. Это можно использовать для левитации объектов, если они находятся в пределах достаточно сильного вертикального магнитного поля, что было продемонстрировано на примере маленьких лягушек, сверчков и мышей.

Однако для левитации лягушки необходимо не только магнитное поле достаточной мощности. Оно обеспечит подъемную силу, но не позволит лягушке оставаться парящей, поскольку быстро может возникнуть нестабильность. Требуется создание на вертикальной оси устойчивой зоны, в пределах которой диамагнитные объекты можно левитировать, и чтобы добиться этого, магнитные поля должны быть отрегулированы с точностью до нескольких процентов. Теория, лежащая в основе летающих лягушек, была разработана в 1990-х годах британским профессором сэром Майклом Берри, ведущим теоретиком в области математической квантовой физики.

Но создание стабильной зоны, достаточно большой, чтобы вместить человека, по-прежнему остается проблемой. Вам понадобится магнит, потребляющий около 100 мегаватт, и он должен иметь центральное пространство диаметром 60 сантиметров. Для сравнения – экспериментальное левитирующее пространство (в центре сверхпроводящего магнита), использованное для левитации мыши, имело диаметр 60 миллиметров.

Итак, сможем ли мы увидеть своими глазами Вингардиум левиоса?

Ответ, безусловно, «да». В малом масштабе для манипулирования объектами можно использовать акустическую левитацию, но для нее требуется массив преобразователей для передачи волн. Диамагнитная левитация немного расширяет возможности, справляясь с более крупными объектами, включая мелких животных, но только при исключительно точных расчетах стабильных областей. И, разумеется, требуется огромный и мощный магнит. Для больших объектов аэродинамическая левитация выглядит наиболее перспективным вариантом, но она зависит от управления очень сильными потоками воздуха, что делает ее ненадежной. В любом случае, левитация – это реальное явление, которое в настоящий момент очень активно исследуется.