Разбърквайте чая си с помощта на лъжица, гледайте завъртащите се

Разбърквайте чая си благодарение на лъжица, гледайте завъртащите се облаци или си представяйте плача на реактивен мотор. Във всички тези феномени, колкото и разнообразни да наподобяват, се ръководят от еднакъв неосезаем и комплициран феномен: турбуленцията. От десетилетия физиците се пробват напълно да опишат този безреден танц на вихрите, тъй като той дефинира всичко – от времето на планетата до успеваемостта на крилата на самолетите. И по този начин, с цел да разрешат тази универсална мистерия, учените трябваше да се извърнат към едно от най-странните субстанции във Вселената – свръхфлуидния хелий.

Неотдавнашно изследване на интернационален екип от учени, включващ експерти от Съединени американски щати, Англия и Франция, хвърли светлина върху фундаменталните закони, ръководещи този безпорядък. И това е станало, като са следили държанието на микроскопичните „ торнада “ в течност, охладена съвсем до безспорната нула.

Перфектната лаборатория в капка хелий

Представете си течност, която няма търкане. Тя тече постоянно, без да се забавя, и може сама да се изкачва по стените на съда, като че ли се опълчва на гравитацията. Това не е научна фантастика, а действителността на свръхфлуидния хелий – положение, в което хелият навлиза при температури под -271 °C.

Но главната му стойност за учените не е в тези екзотични свойства. За разлика от водата или въздуха, където вихрите могат да се появяват и изчезват по най-причудлив метод, в свръхфлуидния хелий цялото въртене е строго подредено. То може да съществува единствено под формата на така наречен квантувани вихри.

Какво значи това? Казано по-просто, течността не може просто да се върти. Въртенето се случва на строго премерени „ порции “, съсредоточени в най-фините влакна, сходно на микроскопични вихри. Всеки подобен ураган е една постоянна, съвсем безконечна конструкция, носеща минималния вероятен „ заряд “ на въртене, постановен от законите на квантовата механика. Както изяснява професор Вей Гуо, един от създателите на публикацията, тези вихри са „ топологично предпазени “, което ги прави необикновено постоянни и лесни за наблюдаване.

Именно тази предсказуемост трансформира свръхтечния хелий в съвършен „ пясъчник “ за проучване на турбулентността. Вместо да се пробват да проследят хаоса в един естествен въздушен поток, учените съумяха да следят държанието на обособените, добре дефинирани вихри.

Да видиш невидимото и да схванеш необратимото

И по този начин, по какъв начин можем да надникнем в този квантов свят? Самите вихри са невидими. За да ги наблюдава, изследователският екип е употребявал грациозен способ: инжектирал е дребни замразени частици деутерий (тежък водород) в свръхфлуиден хелий. Тези частици, сходно на прашинки в безоблачен лъч, улавят вихрите и ги вършат забележими. Насочвайки плосък лазерен лъч към тях и заснемайки протичащото се с високоскоростна камера, учените съумяха да запишат в елементи балета на тези квантови торнада.

Тук ги е очаквало огромно изобретение. Когато два такива вихъра се сблъскат и „ свържат още веднъж “, т.е. раздерат и образуват нови връзки, се случва нещо необикновено.

След конфликта вихрите постоянно се разделят по-бързо, в сравнение с се събират.

Този на пръв взор елементарен факт е от голямо значение. Той ни споделя, че процесът е необратим. Все едно две билярдни топки след конфликт не просто да отскочат, а да придобият спомагателна инерция, като че ли от нищото. Разбира се, силата не се появява от нищото. Оказа се, че сега на наново свързване част от силата, съдържаща се в самата конструкция на вихровите линии, се освобождава под формата на внезапен изблик, който ги форсира.

Това събитие, наречено асиметрия на времето, се оказа повсеместен закон. Той разказва фундаменталния механизъм на това по какъв начин силата се предава и разсейва в течните среди – без значение дали става дума за мразовит хелий или парещ въздух в турбина.

От квантовия свят до бученето на реактивен мотор

Какво общо имат тези микроскопични квантови резултати с нашето всекидневие? Пряко. Въпреки че самите квантови вихри съществуват единствено в екзотични условия, е открито, че физическите правила на тяхното взаимоотношение – конфликт, наново свързване и освобождение на сила – са общи за всички течности и газове.

Турбулентността в класическия свят в действителност е комплицирана мрежа от доста такива взаимодействащи си вихри от друг мащаб. Разбирането на метода, по който силата минава от огромните вихри към дребните вихри на най-фундаментално равнище, дава невероятни вероятности.

Инженерните науки: Това познание би могло един ден да помогне за основаването на по-ефективни и по-тихи реактивни мотори, по-продуктивни турбини за електроцентралите и даже за проектирането на корпуси на кораби, които изпитват по-малко противодействие от страна на водата. Прогнозирането: Подобрените модели на турбулентността могат да подобрят точността на прогнозите за времето и климатичните модели, защото атмосферните и океанските течения са чиста турбулентност. Фундаменталната просвета: Това проучване е превъзходен образец за това по какъв начин проучването на едно-единствено, на пръв взор тясно профилирано събитие, свързва прекомерно разнообразни области на физиката – от квантовата механика до динамичността на флуидите.

Работата на интернационалния екип от учени сподели, че от време на време е належащо да се прегледат най-малките и най-прости системи, с цел да се решат най-големите и комплицирани проблеми. Изучавайки предсказуемия и спретнат танц на квантовите торнада, ние получаваме ключ към разбирането на всеобхватния и мощен безпорядък, който оформя света към нас. Едно в действителност потребно изобретение, което може да промени редица аспекти на актуалната промишленост.