За първи път седемдесетгодишната теория на турбулентността е потвърдена експериментално. Приложенията варират от Голямото червено петно на Юпитер до движението на електрони в свръхпроводниците.

Две австралийски изследвания, публикувани миналата седмица, потвърждават една теория за образуването на големи вихри от турбулентността в двумерен флуид, където от очевидния хаос от по-малки вихри се появяват големи вихри, казва авторът проф. Мат Дейвис, ръководител на FLEET в университета в Куинсланд.

Течности, ограничени в движението си до две измерения, се наблюдават в системи, вариращи от електроните в полупроводници и повърхността на сапунени мехури, до атмосферни явления като циклоните.

"Една от най-често наблюдаваните характеристики в този 2D поток е образуването на широкомащабно въртеливо движение на течността от първоначално хаотичното въртеливо движение, характерно за турбулентния поток, като прочутото Голямо червено петно ​​на Юпитер", казва водещият автор на изследването на Monash, Шон Джонстоун.

Турбуленцията, с привидно случайното и хаотично движение на флуида, е сериозна трудна задача, за която няма общо теоретично описание. Всъщност Институтът по математика Клей предлага награда от един милион долара на всеки, който измисли теория за турбуленцията.

Има проста теория, предложена през 1949 г. от Нобеловия лауреат Ларс Онсагер, която обяснява формирането на мащабно движение на вихри от първоначално турбулентен 2D поток. Тя обаче може да направи количествени прогнози само за един специален вид течност - "свръхфлуид", който тече без никакъв вискозитет или триене и съществува само при изключително ниски температури. Досега това правеше трудно теорията на Онсагер да бъде проверена експериментално.

„Изследването е широко свързано с нововъзникващите изследвания в областта на неравновесната физика и по-конкретно свързани с изучаването на суперфлуидите и свръхпроводниците“, казва авторът проф. Крис Хелмерсън в Училището по физика и астрономия на Монаш.

Новото изследване е описано в две публикации в Science - едната за експериментално проучване, проведено от FLEET в Университета Монаш, а другото - от сътрудничеството EQUS / FLEET в Университета на Куинсланд.

Защо вихри и квантова турбуленция
Повечето хора са запознати с понятието за вихър от извиващата се форма на торнадо или от обикновения водовъртеж, които се образува в ваната, когато водата оттича в канала.

Вихри се срещат и в двумерни системи, където няма вертикално движение, като например на повърхността на течности, или в атмосферна система като циклони. Всъщност 2D вихрите обхващат широк спектър от системи - от свръхфлуидното движение на неутроните по повърхността на неутронните звезди, през теченията в Атлантическия океан до движението на електрони с нулево съпротивление във високотемпературните свръхпроводници.

Голямото червено петно ​​на Юпитер е пример за 2D вихър. Кредит: НАСА / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / Джералд Айхщат / Джъстин Коуарт

За 70 години нашето разбиране за такива 2D вихрови системи се ръководи от теорията на Ларс Онсагер, че когато повече енергия се вкарва в хаотичната смес от малки вихри в турбулентна 2D система, с течение на времето вихрите, които се въртят в една и съща посока, ще се групират, за да образуват по-големи, стабилни вихри и системата става по-скоро подредена, отколкото по-хаотична.

За да направи теорията си от 1949 г. математически приложима, Онсагер приема, че има свръхфлуид, за който твърди, че ще има "квантовани" вихри (вихри с квантован ъглов момент), концепция, разработена от Ричард Файнман.

Теорията на Онсагер описва енергията на 2D турбулентна система, събираща се във високо енергийни, дългоживеещи, мащабни вихри. Това е необичайно равновесно състояние, при което ентропията намалява като функция на енергията - обратното на това, което бихме приели като "нормално".

Екипът, ръководен от Монаш, генерира вихрови разпределения при различни температури и наблюдава тяхното последващо развитие. Състоянията, които първоначално със сравнително случайни разпределения на вихрите, започнали да се подреждат, както описва Онсагер. Проучването на Университета в Куинсланд, от друга страна, директно генерира две големи групи вихри, протичащи в противоположни посоки, тествайки стабилността на тази високо подредена конфигурация.

И двете проучвания експериментират с кондензати на Бозе-Айнщайн, квантово състояние, което съществува при ултраниски температури и в което квантовите ефекти стават видими в макроскопичен мащаб.

Изследователите създали турбулентност в кондензатите на рубидиевите атоми, използвайки лазери, и наблюдавали поведението на получените вихри в течение на времето.

И двете изследвания са обещаващи за бъдещите проучвания на възникващи структури във взаимодействащи квантови системи далеч от равновесието, съобщава FLEET в SciGlow.

Проучване на неравновесните системи
Въпреки че резултатите конкретно описват турбулентността, трудна за теоретично описание задача, те са свързани с по-широката неравновесна физика - еволюцията на системите далеч от равновесието, по-специално се разглежда последователния, мащабен поток при въвеждане на енергия в турбулентна система.

От векове учените са разработили отлично разбиране за системите в равновесие. Но това, което се случва със система, отдалечена от равновесието, остава едно от големите неизвестни предизвикателства на съвременната материална физика.

Във FLEET неравновесни системи се използват за проследяване на пътища с нулево съпротивление на електрически ток. 

FLEET е изследователски център, финансиран от Австралийския научен съвет, който събира над сто австралийски и международни експерти за разработване на ново поколение ултра нискоенергийна електроника, мотивирано от необходимостта от намаляване на консумираната от компютрите енергия.