Фізики експериментально підтвердили незвичайну теорію турбулентності, запропоновану 70 років тому.
Турбулентність рідини - надзвичайно складна проблема, для якої досі немає загального теоретичного опису. Проблема настільки важлива, що Інститут математики Клея (США) заснував премію в мільйон доларів тому, хто створить повну теорію турбулентності. Правда, існує досить проста теорія, запропонована в 1949 році лауреатом Нобелівської премії з хімії Ларсом Онзагером, для пояснення утворення великомасштабного вихревого руху з спочатку турбулентного почесного потоку.
Вихоровий рух знайомий переважній кількості людей. Багато хто спостерігав смерчі і торнадо або простий вир, що утворюється у ванні, коли з неї витікає вода. Тут рух відбувається в трьох вимірах. Але вихори також виникають у почесних системах, в яких відсутній «вертикальний» рух. Почесні вихори виникають у різноманітних системах: від надплинного руху нейтронів на поверхні нейтронних зірок і руху електронів у надпровідниках і напівпровідниках до циклонів в атмосфері і Гольфстріму в Атлантичному океані.
На перший погляд поведінка турбулентної системи при надходженні в неї енергії має прагнути від порядку до хаосу. Фізики називають це зростанням ентропії. Так поводиться більшість систем. З часом великі вихори повинні розпадатися на маленькі. Однак теорія Онзагера являє собою цікаве виключення з правила. У ній все відбувається навпаки. Надходження енергії в хаотичну суміш невеликих вихорів в турбулентній акціонерній системі з часом призводить до того, що вихори, що обертаються в одному і тому ж напрямку, будуть утворювати все більш великі стабільні вихори, або великомасштабні області (кластери). У цьому випадку система стає більш впорядкованою, а не хаотичною. Можливо, саме так виникла Велика червона пляма Юпітера.
Простота теорії Онзагера має оборотну сторону, вона може робити кількісні оцінки тільки для одного особливого типу рідини: «надплинної», яка тече без будь-якої в'язкості або опору. Така рідина може бути реалізована тільки при надзвичайно низьких температурах. Це досі ускладнювало перевірку цієї теорії.
І ось у двох статтях австралійських дослідників, опублікованих сьогодні в журналі Science (перша, друга) представлено перший за 70 років експериментальний доказ теорії турбулентності Онзагера. Обидва експерименти використовували так званий конденсат Бозе-Ейнштейна, квантовий стан, який існує при наднизьких температурах і в якому квантові ефекти стають видимими в макроскопічному масштабі.
Команда з університету Монаша (Мельбурн) генерувала вихорі системи при різних температурах і спостерігала їх подальшу еволюцію. Вони забезпечували систему енергією, обурюючи конденсат, створюючи вихори та антивіхрі. Зі збільшенням енергії, як і передбачав Онзагер, система ставала більш впорядкованою, оскільки виникали кластери, що містили або тільки вихори, або тільки антивіхрі.
А дослідники з Квінслендського університету підійшли до проблеми з іншого боку: вони відразу створювали два великих скупчення вихорів, що рухаються в протилежних напрямках, і перевіряли стабільність цієї високоупорядкованої конфігурації. Дійсно, така картина зберігається тривалий час, не руйнуючись.
Обидва дослідження відкривають великі перспективи для майбутніх досліджень структур у взаємодіючих квантових системах, що знаходяться далеко від рівноваги. До них належать, наприклад, нелінійно-оптичні матеріали, фермійні надплинні рідини і навіть кварк-глюонна плазма.
За матеріалами колаборації FLEET та університету Монаша.