Ред от хаоса: Първо експериментално доказателство за седемдесетгодишна теория

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.




Коментирай

За да добавите коментар, трябва да ползвате браузър с поддръжка на JavaScript или да позволите използването на JavaScript в браузъра си, ако то е спряно.
Впишете се с профила си, за да използвате разширените възможности при писане на коментари!
Captcha изображение
Екипът на Perunik.COM ви благодари, че използвате кирилица. Отговорността за коментарите е на коментиращите. Сайтът не носи отговорност за коментарите, тъй като модераторите нямат техническа възможност да проверяват коментари 24 часа в денонощието. В случай, че коментарът Ви съдържа нецензурни квалификации и лични нападки, или обида на расова, сексуална, етническа или верска основа, той ще бъде изтрит от редакторите на сайта при установяването на този факт. Можете да докладвате за нередности и неподходящи коментари с иконата след "Отговор" - "Докладвай за нередност"

Хороскоп за 23.08.2019

Хороскоп за Овен

Овен
Работни проекти ще държат вниманието на някои от вас будно, но наред с тях ще провеждате и личните си срещи. Готовността ви да помогнете на приятел ще ви сближи повече и от това съвместното ви сътрудничество ще продължи. Семейни задачи ще ви накарат да търсите начини за бързото им решаване.
23.08.2019

Хороскоп за Телец

Телец
Ще търсите контакт с нужните ви хора и с общи усилия ще намерите по-лесно решение на вълнуващ ви въпрос. Ще споделяте интересите и вижданията си, без това да ви създава вътрешно напрежение. Ако имате очаквания от интимен характер ви предстоят развития. Други ще работят по приключване на задача, носеща им финансови придобивки.
23.08.2019

Хороскоп за Близнаци

Близнаци
Изгаряте от желание за авантюри. Приключенският дух ви е завладял днес и само неотложни делови ангажименти биха могли да променят идеите ви за деня. Силното ви желание за изява ще бъде удовлетворено напълно към края на деня. Заобиколени сте от вниманието на хората около вас, което ви кара да се чувствате чудесно.
23.08.2019

Хороскоп за Рак

Рак
Стабилизиране на финансите, успоредно с утвърждаване на професионалния ви авторитет. Такива са приоритетите ви за днес, както и за следващите дни. Това изисква да сте в добра кондиция, на среща с делови партньори ще вземете решения, изпълнението на които няма да ви затрудни. Пътуване, за някои в чужбина.
23.08.2019

Хороскоп за Лъв

Лъв
Съсредоточете се върху важните си задачи. Всяко разпиляване на силите може да доведе до изтощение. Развивайте умението си да организирате, ще ви бъде необходимо. Обърнете внимание на детайлите в дейността си, те са важни. Нямате много време за приключването на неотложна задача.
23.08.2019

Хороскоп за Дева

Дева
Имате нужда днес да излезете навън и да се опитате да не мислите за професионални ангажименти. Дайте воля на въображението си и както вие така и околните ще останете доволни от резултата. Можете на помогнете и на свой близък, който също се нуждае от промяна. Имате смелост за да сложите край на нещо, което не ви удовлетворява.
23.08.2019

Хороскоп за Везни

Везни
Възстановявате си сума, която неотдавна сте загубили поради куриозно недоразумение. Материалното ви състояние се стабилизира и в близките дни можете да разчитате на допълнителни доходи. За някои от вас денят бележи началото на нов много успешен период в професионален план. Започвате работа по проект, който ви дава чудесна възможност да разгърнете потенциала си.
23.08.2019

Хороскоп за Скорпион

Скорпион
Делничното напрежение ще ви накара да потърсите по-спокойно място за изтерзаната си душа. Ще съберете мисли и сили, с които да продължите напред, но преди това направете нещо специално, от което се нуждаете сега. То ще ви позволи да осъзнаете силните и слабите си страни.
23.08.2019

Хороскоп за Стрелец

Стрелец
Имате нужда от развлечения и този ден най-добре ще отговори на намеренията ви. Заобиколени сте от приятни хора, сред които се чувствате настина добре. Твърде емоционални сте и това може да стане причина за нежелани ситуации, но едва ли ще е нещо сериозно. Обърнете повече внимание на предпочитанията на постоянния си партньор, които не е добре да пренебрегвате.
23.08.2019

Хороскоп за Козирог

Козирог
Внимателно планирате всяка своя стъпка и в резултат днес ще постигнете част от нещата, към които уверено се стремите. При вас няма нищо случайно и партньорите ви оценяват този факт. Постарайте се да спазите всички уговорки, които правите, тъй като от това зависи и бъдещото добро отношение към личността ви. Постигате целта си и в интимен план.
23.08.2019

Хороскоп за Водолей

Водолей
Ще има какво да споделяте и да ви прави доволни, предстоящите развития ще бъдат във ваша полза и в края на деня ще се чувствате в отлична форма. Различното поведение изостря чувствителността ви, но ще си останете уравновесени и прагматични. Пътуванията не са най-подходящи днес, но ако са наложителни, не приспивайте бдителността си.
23.08.2019

Хороскоп за Риби

Риби
Бъдете по-търпеливи към хора и неща, които не са по вкуса ви. С такт и добро желание може да постигнете повече, в противен случай ще си навлечете нечии гняв. Приятел ще ви предложи нещо, което ще ви поласкае, но и затрудни. Изяснете си до колко са искрени чувствата му към вас.
23.08.2019
Последни новини