SESİ AÇIN, YILDIZ TERS YÖNE DÖNSÜN

Ses nesneleri kaldırabilir. Titreşen bir boru ile bir yansıtıcı arasında, güçlü bir ultrasonik duran dalga, küçük nesnelerin — damlacıkların, ince filmlerin, tanelerin — hiçbir şeye dokunmadan havada süzüldüğü noktalar yaratır. Teknik, kimyasal ve farmasötik analiz ile minik yapıların birleştirilmesi için geliştiriliyor.

İnatçı bir tuhaflığı var: havada asılı nesneler çoğu zaman kendiliğinden dönmeye başlar. Belirli durumlar için açıklamalar mevcut, ama bir nesnenin ne zaman, hangi yöne ya da ne hızla döneceğini söyleyen genel bir kural yoktu.

Kıvrık kollu yıldızlar

Avusturya Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nden (ISTA) Sue Shi, Scott Waitukaitis ve meslektaşları, yaklaşık 51 kilohertz’te çalışan bir havada tutma düzeneği kurdu; ses alanının çok hassas hizalanabilmesi için safir bir yansıtıcıyı hassas bir yalpa çemberine (gimbal) yerleştirdiler. 200 mikrometre kalınlığında, her biri 1 milimetrelik bir çembere sığan floresan parçacıkları 3B yazıcıyla bastılar ve onları alttan saniyede 3.000 kareyle filme aldılar.

İlk sonuç simetriyle ilgili. İyi hizalanmış bir alanda üçgenler, kareler, beşgenler ve düz kollu yıldızlar — aynada aynı görünen şekiller — hiç dönmüyor. Tüm kolları aynı yöne kıvrılan “kiral yıldızlar” ise havalanır havalanmaz dönmeye başlıyor ve birkaç yüz milisaniye içinde sabit bir hıza ulaşıyor. Yönü kıvrım belirliyor; yıldızı ters çevirin, öbür yöne döner. Yansıtıcıyı bilerek eğmek bir kareyi bile döndürüyor: kendiliğinden dönüş, nesnede ya da ses alanında kırılmış bir simetri gerektiriyor.

Daha çok kol, daha tuhaf davranış

Sezgi, daha çok kolun daha çok ses yakaladığını ve daha yüksek sesin daha güçlü ittiğini söyler. Her yıldızın neredeyse özdeş üç kopyası üzerinde yapılan ölçümler başka bir şey söylüyor.

3 ve 5 kol: dönüştürücüdeki voltaj — ve onunla birlikte ses basıncı — yükseldikçe giderek daha hızlı dönüyorlar.
7 kol: 12–13 volt civarında en hızlı, sonra yavaşlıyorlar.
10 kol: 7–8 volt civarında en hızlı, sonra yavaşlıyor, duruyor ve öbür yöne dönüyorlar.
12 kol: aynı sıra, daha erken — zirve 7 voltta, yön değişimi 10 volt civarında.

En hızlı yıldızlar saniyede yaklaşık 50 tura kadar ulaşıyor.

İki terimli bir tarif

Bunu açıklamak için ekip, itici bir burulma momentini — sesin uyguladığı döndürücü itkiyi — hava sürtünmesiyle dengeledi. Her ikisi de ses genliğinin basit kuvvetleri olarak yazılıyor: burulmanın bir ana terimi ve daha hızlı büyüyen bir düzeltmesi var, sürtünme ise genlikle birlikte artıyor. Sürtünme tahmin edilmiyor: her yıldızın voltajda ani bir sıçramadan sonra ne kadar hızlı dengeye oturduğu izlenerek ölçülüyor: ses alanı yeni değerine yaklaşık on milisaniyede ulaşıyor, yıldızın hızını yeniden kazanması ise yaklaşık 183 milisaniye sürüyor (7’den 8 volta geçen 12 kollu bir yıldız) — yalnızca hava direncinden gelen bir gecikme — ve sıfır genlikte yıldızın şeklinden hesaplanıyor. Bu, her şekil için yalnızca iki serbest sayı bırakıyor ve ortaya çıkan eğri, düzenli hızlanmadan tam yön değişimine kadar her yıldıza uyuyor.

Uyumlar tutarlı bir hikâye anlatıyor. Daha çok kol düşük seste daha güçlü bir itki veriyor, bu yüzden yoğun kollu yıldızlar daha hızlı başlıyor. Ama aynı zamanda yüksek seste baskın çıkan büyüyen ters bir katkı da getiriyorlar — ve o baskın çıkınca yıldız yön değiştiriyor. Yön değişimi voltajı basit bir formülü izliyor: V* = 1/√(−α); burada düzeltme itkinin tersine çalışır çalışmaz α negatif oluyor: mutlak değeri büyüdükçe yön değişimi daha erken geliyor.

Yön değiştirmek için tasarlanmış bir yıldız

Asıl sınav bir öngörüydü. Ekip melez bir yıldız tasarladı: bir yarısı saat yönünde kıvrılan 4 kollu bir yıldızdan, diğer yarısı ters yöne kıvrılan 10 kollu bir yıldızdan alındı. İki yarının öngörülen eğrilerini toplamak bir tahmin verdi: 10 kollu yarının baskın olduğu düşük seste saat yönünün tersine, yüksek seste saat yönünde. Basılan melez tam olarak bunu yaptı — 7 voltta saat yönünün tersine, 9 voltta hareketsiz, 11 voltta saat yönünde — öngörülen voltajda yön değiştirerek.

Kimsenin beklemediği bir kuvvet

Model karşıt itkiyi tanımlıyor ama nereden geldiğini söylemiyor. Yazarlar bunun, her etkinin ses basıncının karesiyle büyüdüğü olağan akustik kuvvetler kuramından gelemeyeceğini gösteriyor: o durumda bütün bu katkılar ses yükseldikçe aynı oranları korur, dolayısıyla dönme yönü asla tersine dönemez. Daha yüksek mertebeden bir şey iş başında ve komşu kollar birbirine yaklaştıkça güçleniyor — belki de bitişik kollar arasında ses ve hava aracılığıyla bir bağlaşım. Dönen bir yıldızın etrafındaki akışı ölçmek ya da simüle etmek bir sonraki adım. Bu arada bir parçacığın şekli, nasıl döneceğini programlamanın bir yolu hâline geldi.