Wetenschap
Je zag het niet aankomen:nieuw onderzoek toont aan dat turbulente stromingen veroorzaakt kunnen worden door kleine triggers
We ervaren elke dag turbulentie:een windvlaag, water dat door een rivier stroomt, of hobbels in een vliegtuig tijdens de vlucht.
Hoewel het misschien gemakkelijk te begrijpen is wat de oorzaak is van bepaalde soorten turbulentie – een omgevallen boom in een rivier of een beer die op zoek is naar zalm – zijn er nu aanwijzingen dat een zeer kleine verstoring in het begin later dramatische gevolgen kan hebben. Denk in plaats van een boom aan een takje, of zelfs aan de draaiende beweging van een molecuul.
De vooraanstaande hoogleraar natuurkunde van de Universiteit van Californië, San Diego, Nigel Goldenfeld, heeft samen met zijn voormalige student Dmytro Bandak en de professoren Alexei Mailybaev en Gregory Eyink in theoretische modellen van turbulentie aangetoond dat zelfs moleculaire bewegingen grootschalige patronen van willekeur kunnen creëren over een gedefinieerde schaal. periode. Hun werk verschijnt in Physical Review Letters .
Het vlindereffect
Een vlinder klapt met zijn vleugels in Brazilië, wat later een tornado veroorzaakt in Texas. Hoewel we de uitdrukking vaak gebruiken om de schijnbare onderlinge verbondenheid van onze eigen levens aan te duiden, wordt de term 'vlindereffect' soms geassocieerd met de chaostheorie. Goldenfeld zei dat hun werk een extremere versie vertegenwoordigt van het vlindereffect, dat voor het eerst werd beschreven door wiskundige en meteoroloog Edward Lorenz in 1969.
"Wat we hebben geleerd is dat in turbulente systemen een zeer kleine verstoring op een gegeven moment een versterkt effect zal hebben op een eindig punt in de toekomst, maar via een mechanisme dat sneller is dan chaos."
Hoewel het wiskundige mechanisme voor deze versterking, bekend als spontane stochasticiteit, ongeveer 25 jaar geleden werd ontdekt, merkte Goldenfeld op:‘Het feit dat de willekeurige beweging van moleculen, verantwoordelijk voor het alledaagse temperatuurverschijnsel, spontane stochasticiteit kon genereren, was vóór onze tijd niet bekend. werken."
Als je terugdenkt aan de tak in de rivier, zou je misschien een kleine verstoring opmerken waar het water over de tak stroomt, maar je zou niet verwachten dat dit stroomafwaarts veel turbulentie (via draaikolken en wervelingen) zou veroorzaken. Toch is dat precies wat het artikel van Goldenfeld laat zien. Hij legt uit dat het mechanisme bekend staat als spontane stochasticiteit, omdat de willekeur ontstaat ook al werd verwacht dat de vloeiende beweging voorspelbaar zou zijn.
Bovendien zou het onmogelijk zijn om het takje te lokaliseren dat oorspronkelijk de draaikolken en wervelingen in beweging had gezet. In feite is er mogelijk helemaal geen verstoring van de waterstroom waar de tak zich bevindt.
De bevindingen van het team toonden ook aan dat spontane stochasticiteit optreedt, ongeacht de initiële verstoring. Of het nu een takje, een steentje of een kluit aarde is, de willekeur die je op grote schaal krijgt, is hetzelfde. Met andere woorden:de willekeur is inherent aan het proces.
Het team gebruikte thermische ruis als systeem voor hun berekeningen, omdat deze altijd aanwezig is en merkbaar is aan het gesis van je versterker. Dat geluid is het geluid van elektronen die in je elektronica rondbewegen. In een vloeistof zijn het de moleculen die bewegen in plaats van de elektronen.
Hoewel de Navier-Stokes-vergelijking het standaardmodel is voor het berekenen van turbulente stromingen, was het computationeel onhaalbaar om de volledige vloeistofvergelijkingen te gebruiken om de zeer extreme turbulente gebeurtenissen te simuleren die nodig zijn om de beweringen van het team overtuigend te demonstreren.
In plaats daarvan gebruikten ze een vereenvoudigde vergelijking en toonden daarmee aan dat een verstoring op de schaal van microns (een miljoenste van een meter) ervoor kon zorgen dat hele vloeistofsystemen spontane stochasticiteit vertoonden op een manier die niet afhankelijk was van de bron van de verstoring. .
"Voorlopig zal dit moeten volstaan", zei Goldenfeld, "maar we hopen dat toekomstige supercomputerberekeningen onze resultaten zullen kunnen bevestigen met behulp van de volledige vloeistofvergelijkingen."
De toekomst en het verleden voorspellen
"Er bestaat een fundamentele grens aan wat kan worden voorspeld met betrekking tot turbulentie", aldus Goldenfeld. "Je ziet dit bij weersvoorspellingen; er is altijd een fundamentele bron van willekeur. De precieze zin waarin deze onvoorspelbaarheid onvermijdelijk was, werd vóór ons werk nog niet volledig begrepen."
Het is die willekeur die het zo moeilijk maakt om het weer meer dan een paar uur van tevoren nauwkeurig te voorspellen. Meteorologische stations nemen monsters van het weer op geselecteerde locaties en computersimulaties voegen ze samen, maar zonder het exacte weer op dit moment overal te kennen, is het moeilijk om het exacte weer overal in de toekomst te voorspellen. Dit artikel zinspeelt op de mogelijkheid dat er altijd fundamentele grenzen zullen blijven bestaan, omdat er altijd willekeur zal optreden.
Er kunnen ook implicaties zijn voor astrofysisch onderzoek. Wetenschappers begrijpen al dat computersimulaties van hoe sterrenstelsels worden gevormd en hoe ons universum is geëvolueerd gevoelig zijn voor ruis. Vaak kan het gedrag van sterren, planeten en sterrenstelsels niet gemakkelijk worden verklaard en kan het worden toegeschreven aan het soort microscopisch kleine ruis dat Goldenfeld en zijn collega's hebben ontdekt.