Порядок из хаоса вихрей

Физики экспериментально подтвердили необычную теорию турбулентности, предложенную 70 лет тому назад.

Турбулентность жидкости – чрезвычайно сложная проблема, для которой до сих пор нет общего теоретического описания. Проблема настолько важна, что Институт математики Клэя (США) учредил премию в миллион долларов тому, кто создаст полную теорию турбулентности. Правда, существует достаточно простая теория, предложенная в 1949 году лауреатом Нобелевской премии по химии Ларсом Онзагером, для объяснения образования крупномасштабного вихревого движения из первоначально турбулентного двумерного потока.

Вихревое движение знакомо подавляющему числу людей. Многие наблюдали смерчи и торнадо или простой водоворот, образующийся в ванне, когда из неё вытекает вода. Здесь движение происходит в трёх измерениях. Но вихри также возникают в двумерных системах, в которых отсутствует «вертикальное» движение. Двумерные вихри возникают в разнообразных системах: от сверхтекучего движения нейтронов на поверхности нейтронных звезд и движения электронов в сверхпроводниках и полупроводниках до циклонов в атмосфере и Гольфстрима в Атлантическом океане.

На первый взгляд поведение турбулентной системы при поступлении в неё энергии должно стремиться от порядка к хаосу. Физики называют это возрастанием энтропии. Так ведёт себя большинство систем. Со временем большие вихри должны распадаться на маленькие. Однако теория Онзагера представляет собой любопытное исключение из правила. В ней всё происходит наоборот. Поступление энергии в хаотическую смесь небольших вихрей в турбулентной двумерной системе со временем приводит к тому, что вихри, вращающиеся в одном и том же направлении, будут образовывать всё более крупные стабильные вихри, или крупномасштабные области (кластеры). В этом случае система становится более упорядоченной, а не хаотичной. Возможно, именно так возникло Большое красное пятно Юпитера.

Простота теории Онзагера имеет оборотную сторону, она может делать количественные оценки только для одного особого типа жидкости: «сверхтекучей», которая течет без какой-либо вязкости или сопротивления. Такая жидкость может быть реализована только при чрезвычайно низких температурах. Это до сих пор затрудняло проверку этой теории.

И вот в двух статьях австралийских исследователей, опубликованных сегодня в журнале Science (первая, вторая) представлено первое за 70 лет экспериментальное доказательство теории турбулентности Онзагера. Оба эксперимента использовали так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, квантовое состояние, которое существует при сверхнизких температурах и в котором квантовые эффекты становятся видимыми в макроскопическом масштабе.

Команда из университета Монаша (Мельбурн) генерировала вихревые системы при разных температурах и наблюдала их последующую эволюцию. Они снабжали систему энергией, возмущая конденсат, создавая вихри и антивихри. С увеличением энергии, как и предсказывал Онзагер, система становилась более упорядоченной, поскольку возникали кластеры, содержащие либо только вихри, либо только антивихри.

А исследователи из Квинслендского университета подошли к проблеме с другой стороны: они сразу создавали два больших скопления вихрей, движущихся в противоположных направлениях, и проверяли стабильность этой высокоупорядоченной конфигурации. Действительно, такая картина сохраняется длительное время, не разрушаясь.

Оба исследования открывают большие перспективы для будущих исследований возникающих структур во взаимодействующих квантовых системах, находящихся вдали от равновесия. К ним относятся, например, нелинейно-оптические материалы, фермионные сверхтекучие жидкости и даже кварк-глюонная плазма.

По материалам коллаборации FLEET и университета Монаша.