Twee Australische studies die deze week zijn gepubliceerd, bieden het eerste bewijs van een 70 jaar oude theorie van turbulentie.

"De studies bevestigen een baanbrekende theorie van de vorming van grootschalige wervelingen door turbulentie in 2-D vloeistofstroming, waar de grote draaikolken tevoorschijn komen uit een schijnbare chaos van kleinere draaikolken, " zegt auteur Prof Matt Davis, FLEET's voorsprong op het paper van de University of Queensland.

Vloeistoffen die beperkt zijn tot stromen in twee dimensies kunnen worden waargenomen in systemen variërend van elektronen in halfgeleiders, naar het oppervlak van zeepbellen, atmosferische verschijnselen zoals cyclonen.

"Een van de algemeen waargenomen kenmerken in een dergelijke 2-D-stroom is de vorming van grootschalige wervelbeweging van de vloeistof uit de aanvankelijk chaotische wervelende beweging die typisch is voor turbulente stroming, zoals de beroemde Grote Rode Vlek van Jupiter, " zegt de hoofdauteur van de Monash-studie, Shaun Johnstone.

turbulentie, met zijn schijnbaar willekeurige en chaotische beweging van de vloeistof, is een notoir moeilijk probleem, waarvoor geen algemene theoretische beschrijving bestaat. (In feite, het Clay Mathematics Institute biedt een prijs van een miljoen dollar aan iedereen die een theorie van turbulentie bedenkt.)

Er is, echter, een simpele theorie, voorgesteld in 1949 door de Nobelprijswinnaar Lars Onsager, om de vorming van grootschalige vortexbeweging uit aanvankelijk turbulente 2D-stroming te verklaren.

Ondanks de aantrekkingskracht van Onsagers fysieke beeld van 2D-turbulentie, het kan alleen kwantitatieve voorspellingen doen voor één speciaal type vloeistof:een 'superfluïde, " die stroomt zonder enige viscositeit of weerstand, en die alleen bij extreem lage temperaturen kan worden gerealiseerd. Dit maakte het testen van Onsagers theorie moeilijk, tot nu.

"De studie is in grote lijnen relevant voor het opkomende onderzoeksgebied van niet-evenwichtsfysica, en meer specifiek relevant voor de studie van supervloeistoffen en supergeleiders, " zegt auteur prof. Kris Helmerson, die samenwerkt met Johnstone in Monash's School of Physics and Astronomy.

Het nieuwe onderzoek wordt beschreven in twee papers in Wetenschap vandaag, met één experimenteel onderzoek onder leiding van FLEET's Monash University-knooppunt, en de andere leidde vanuit een EQUS/FLEET-samenwerking aan de Universiteit van Queensland.

Waarom wervelingen en kwantumturbulentie?

De meeste mensen zijn bekend met het concept van een draaikolk:of de bekende draaiende vorm van een tornado, of de eenvoudige draaikolk die zich bij een badkuip vormt, loopt weg via het afvoergat.

Wervels komen ook voor in 2D-systemen waar geen verticale beweging is, zoals aan het oppervlak van vloeistoffen, of in atmosferisch systeem zoals cyclonen. In feite, 2-D vortices bestrijken een breed scala aan systemen, van de superfluïde beweging van neutronen op het oppervlak van neutronensterren tot de Golfstroom van de Atlantische Oceaan tot de nulweerstandsbeweging van elektronen in supergeleiders bij hoge temperatuur.

Al 70 jaar, ons begrip van dergelijke 2D-vortexsystemen is bepaald door de theorie van Lars Onsager dat naarmate er meer energie wordt gestoken in de chaotische mix van kleine vortexen in een turbulent 2D-systeem, na verloop van tijd zouden de wervels die in dezelfde richting draaien, zich clusteren om grotere, stabiele draaikolken - het systeem wordt geordend, in plaats van chaotischer.

Om zijn theorie uit 1949 wiskundig hanteerbaar te maken, Onsager beschouwde een superfluïde, waarvan hij zei dat het gekwantiseerde wervels zou hebben (wervels met gekwantiseerd impulsmoment), een door Richard Feynman verder ontwikkeld concept.

De theorie van Onsager beschreef de energie van een tweedimensionaal turbulent systeem dat samenkomt in hoogenergetische, langlevend, grootschalige wervelingen. Dit is een ongebruikelijke evenwichtstoestand waarin entropie afneemt als een functie van energie - het tegenovergestelde van wat we zouden beschouwen als 'normale' thermodynamische regimes.

Het door Monash geleide team genereerde vortexverdelingen bij een reeks temperaturen en observeerde hun daaropvolgende evolutie. Staten die begonnen met relatief willekeurige verdelingen van wervelingen, begonnen zichzelf te ordenen, zoals Onsager had beschreven. De studie van de Universiteit van Queensland, anderzijds, direct twee grote clusters van vortexen gegenereerd, in tegengestelde richtingen stromen, het testen van de stabiliteit van deze zeer geordende configuratie.

In beide onderzoeken werd geëxperimenteerd met Bose Einstein-condensaten (BEC's), een kwantumtoestand die bestaat bij ultralage temperaturen, en waarin kwantumeffecten op macroscopische schaal zichtbaar worden.

De onderzoekers creëerden turbulentie in condensaten van rubidium-atomen met behulp van lasers, en observeerde het gedrag van de resulterende wervels in de tijd.

Beide studies bieden een grote belofte voor toekomstige studies van opkomende structuren in op elkaar inwerkende kwantumsystemen die ver van evenwicht zijn verdreven.

De twee studies:"Evolutie van grootschalige stroming van turbulentie in een tweedimensionale superfluïde" en "Giant vortexclusters in een tweedimensionale kwantumvloeistof, " werden beide gepubliceerd in Wetenschap vandaag.