Ordre fra kaos:Australske hvirvelstudier er det første bevis på 70 år gammel teori om turbulens i væsker

To australske undersøgelser offentliggjort i denne uge tilbyder det første bevis på en 70 år gammel teori om turbulens.

"Undersøgelserne bekræfter en grundlæggende teori om dannelsen af ​​storskala hvirvler fra turbulens i 2-D væskestrøm, hvor de store hvirvler kommer ud af et tilsyneladende kaos af mindre hvirvler, " siger forfatter prof Matt Davis, FLEET's førende på University of Queensland papir.

Væsker begrænset til strømning i to dimensioner kan observeres i systemer lige fra elektroner i halvledere, til overfladen af ​​sæbebobler, til atmosfæriske fænomener som cykloner.

"Et af de almindeligt observerede træk ved en sådan 2D-strøm er dannelsen af ​​storstilet hvirvlende bevægelse af væsken fra den oprindeligt kaotiske hvirvlende bevægelse, der er typisk for turbulent strømning, såsom Jupiters berømte store røde plet, " siger Monash-undersøgelsens hovedforfatter, Shaun Johnstone.

Turbulens, med dens tilsyneladende tilfældige og kaotiske bevægelse af væsken, er et notorisk vanskeligt problem, som der ikke er nogen generel teoretisk beskrivelse for. (Faktisk, Clay Mathematics Institute tilbyder en million dollar-præmie til enhver, der kommer med en teori om turbulens.)

Der er, imidlertid, en simpel teori, foreslået i 1949 af nobelpristageren Lars Onsager, at forklare dannelsen af ​​storskala hvirvelbevægelse fra indledningsvis turbulent 2-D flow.

På trods af appellen af ​​Onsagers fysiske billede af 2-D turbulens, den kan kun lave kvantitative forudsigelser for én speciel type væske:en 'superfluid, " som flyder uden viskositet eller træk, og som kun kan realiseres ved ekstremt lave temperaturer. Dette havde gjort en test af Onsagers teori vanskelig, indtil nu.

"Undersøgelsen er bredt relevant for det nye forskningsfelt af ikke-ligevægtsfysik, og mere specifikt relevant for undersøgelse af supervæsker og superledere, " siger forfatter Prof Kris Helmerson, der arbejder med Johnstone i Monash's School of Physics and Astronomy.

Den nye forskning er beskrevet i to artikler ude i Videnskab i dag, med en eksperimentel undersøgelse ledet fra FLEETs Monash University-knudepunkt, og den anden ledet fra et EQUS/FLEET-samarbejde ved University of Queensland.

Hvorfor hvirvler og kvanteturbulens

De fleste mennesker er bekendt med begrebet en hvirvel:om den velkendte snoede form af en tornado, eller det simple spabad, der dannes ved et badekar, drænes væk gennem stikhullet.

Hvirvler forekommer også i 2D-systemer, hvor der ikke er nogen lodret bevægelse, såsom på overfladen af ​​væsker, eller i atmosfærisk system såsom cykloner. Faktisk, 2-D hvirvler dækker en bred vifte af systemer, fra den superfluidiske bevægelse af neutroner på overfladen af ​​neutronstjerner til Golfstrømmen i Atlanterhavet til nul-modstandsbevægelsen af ​​elektroner i højtemperatursuperledere.

I 70 år, vores forståelse af sådanne 2-D hvirvelsystemer har været styret af Lars Onsagers teori om, at efterhånden som mere energi bliver lagt i den kaotiske blanding af små hvirvler i et turbulent 2-D system, med tiden vil hvirvlerne, der roterer i samme retning, klynge sig sammen og danne større, stabile hvirvler - systemet bliver ordnet, frem for mere kaotisk.

For at gøre hans teori fra 1949 matematisk overskuelig, Onsager betragtede som en supervæske, som han sagde ville have kvantiserede hvirvler (hvirvler med kvantiseret vinkelmomentum), et koncept videreudviklet af Richard Feynman.

Onsagers teori beskrev et 2-D turbulent systems energi, der samles i højenergi, lang levetid, storskala hvirvler. Dette er en usædvanlig ligevægtstilstand, hvor entropien falder som en funktion af energi - det modsatte af, hvad vi ville betragte som 'normale' termodynamiske regimer.

Det Monash-ledede hold genererede hvirvelfordelinger ved en række temperaturer og observerede deres efterfølgende udvikling. Stater, der begyndte med relativt tilfældige fordelinger af hvirvler, blev set at begynde at ordne sig selv, som Onsager havde beskrevet. University of Queensland undersøgelse, på den anden side, direkte genereret to store klynger af hvirvler, flyder i modsatte retninger, tester stabiliteten af ​​denne højt-ordnede konfiguration.

Begge undersøgelser eksperimenterede med Bose Einstein Condensates (BECs), en kvantetilstand, der eksisterer ved ultralave temperaturer, og hvor kvanteeffekter bliver synlige i en makroskopisk skala.

Forskerne skabte turbulens i kondensater af rubidium-atomer ved hjælp af lasere, og observerede adfærden af ​​de resulterende hvirvler over tid.

Begge undersøgelser giver store løfter for fremtidige undersøgelser af nye strukturer i interagerende kvantesystemer drevet langt fra ligevægt.

De to studier:"Udvikling af storskala flow fra turbulens i en todimensionel superfluid" og "Kæmpe hvirvelklynger i en todimensionel kvantevæske, " blev begge udgivet i Videnskab i dag.