Du så det ikke komme:Ny forskning viser, at turbulente strømme kan være forårsaget af små triggere

Vi oplever turbulens hver dag:et vindstød, vand, der fosser ned ad en flod, eller ujævnheder på et fly midtvejs.

Selvom det kan være let at forstå, hvad der forårsager nogle former for turbulens - et fældet træ i en flod eller en bjørn, der plasker rundt efter laks - er der nu beviser for, at en meget lille forstyrrelse i starten kan have dramatiske effekter senere. I stedet for et træ, tænk på en kvist – eller endda et molekyles svingende bevægelse.

University of California San Diego-kanslerens fremtrædende professor i fysik Nigel Goldenfeld har sammen med sin tidligere studerende Dmytro Bandak og professorerne Alexei Mailybaev og Gregory Eyink vist i teoretiske modeller for turbulens, at selv molekylære bevægelser kan skabe storstilede mønstre af tilfældighed over en defineret tidsrum. Deres arbejde vises i Physical Review Letters .

Sommerfugleeffekten

En sommerfugl slår med vingerne i Brasilien, hvilket senere forårsager en tornado i Texas. Selvom vi ofte bruger sætningen til at betegne den tilsyneladende indbyrdes sammenhæng i vores eget liv, er udtrykket "sommerfugleeffekt" nogle gange forbundet med kaosteori. Goldenfeld sagde, at deres arbejde repræsenterer en mere ekstrem version af sommerfugleeffekten, først beskrevet af matematiker og meteorolog Edward Lorenz i 1969.

"Hvad vi har lært er, at i turbulente systemer vil en meget lille forstyrrelse på et tidspunkt have en forstærket effekt på et endeligt punkt i fremtiden, men gennem en mekanisme, der er hurtigere end kaos."

Selvom den matematiske mekanisme for denne forstærkning, kendt som spontan stokasticitet, blev opdaget for omkring 25 år siden, bemærkede Goldenfeld, "Det faktum, at den tilfældige bevægelse af molekyler, ansvarlig for det daglige fænomen temperatur, kunne generere spontan stokasticitet, var ikke kendt før vores arbejde."

Tænker man tilbage på kvisten i åen, mens man måske bemærker en lille forstyrrelse, hvor vandet løber hen over kvisten, ville man ikke forvente, at det ville skabe en stor turbulens (via hvirvler og hvirvler) nedstrøms. Alligevel er det præcis, hvad Goldenfelds papir viser. Han forklarer, at mekanismen er kendt som spontan stokasticitet, fordi tilfældigheden opstår, selvom væskebevægelsen forventedes at være forudsigelig.

Desuden ville det være umuligt at udpege den kvist, der oprindeligt havde sat hvirvlerne og hvirvlerne i gang. Faktisk kan der overhovedet ikke være nogen forstyrrelse i vandføringen, hvor kvisten er placeret.

Holdets resultater viste også, at spontan stokasticitet opstår uanset den indledende forstyrrelse. Uanset om det er en kvist, en småsten eller en snavs, så er tilfældigheden, du får i stor skala, den samme. Med andre ord er tilfældigheden iboende i processen.

Holdet brugte termisk støj som system til deres beregninger, fordi den altid er til stede - mærkbar i hvæsen fra din forstærker. Den støj er lyden af ​​elektroner, der bevæger sig rundt inde i din elektronik. I en væske er det molekylerne, der bevæger sig rundt i stedet for elektroner.

Selvom Navier-Stokes-ligningen er standardmodellen til beregning af turbulente strømme, var det beregningsmæssigt umuligt at bruge de fulde væskeligninger til at simulere de meget ekstreme turbulente hændelser, der kræves for overbevisende at demonstrere holdets påstande.

I stedet brugte de en forenklet ligning og viste derved, at en forstyrrelse på skalaen mikron (en milliontedel af en meter) kunne få hele væskesystemer til at udvise spontan stokasticitet på en måde, der ikke var afhængig af kilden til forstyrrelsen .

"Indtil videre skal dette gøres," sagde Goldenfeld, "men vi håber, at fremtidige supercomputerberegninger vil være i stand til at bekræfte vores resultater ved at bruge de fulde væskeligninger."

Forudsigelse af fremtiden og fortiden

"Der er en grundlæggende grænse for, hvad der kan forudsiges med turbulens," sagde Goldenfeld. "Man ser det her med vejrudsigter; der er altid en grundlæggende kilde til tilfældighed. Den præcise betydning af hvilken denne uforudsigelighed var uundgåelig var ikke fuldt ud forstået før vores arbejde."

Det er den tilfældighed, der gør det så svært at præcist forudsige vejret mere end et par timer i forvejen. Meteorologiske stationer prøver vejr på udvalgte steder, og computersimuleringer syr dem sammen, men uden at kende det nøjagtige vejr overalt lige nu, er det svært at forudsige det nøjagtige vejr overalt i fremtiden. Denne artikel antyder muligheden for, at fundamentale grænser altid vil eksistere, fordi tilfældigheder altid vil vise sig.

Der kan også være implikationer i astrofysisk forskning. Forskere forstår allerede, at computersimuleringer af, hvordan galakser dannes, og hvordan vores univers udviklede sig, er følsomme over for støj. Ofte kan stjerners, planeters og galaksers adfærd ikke let forklares og kan tilskrives den slags mikroskopiske støj, som Goldenfeld og hans kolleger har afsløret.

Flere oplysninger: Dmytro Bandak et al., Spontan stokasticitet forstærker selv termisk støj til de største turbulensskalaer på et par hvirvelomsætningstider, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.104002. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2401.13881

Leveret af University of California - San Diego