Открит е универсален закон на хаоса: Квантови вихри в хелия обясняват турбулентността

Разбърквайте чая си с помощта на лъжица, гледайте завъртащите се облаци или си представяйте рева на реактивен двигател. Във всички тези явления, колкото и различни да изглеждат, се управляват от един и същ неуловим и сложен феномен: турбуленцията. От десетилетия физиците се опитват изцяло да опишат този хаотичен танц на вихрите, защото той определя всичко – от времето на планетата до ефективността на крилата на самолетите. И така, за да разрешат тази универсална загадка, учените трябваше да се обърнат към едно от най-странните вещества във Вселената – свръхфлуидния хелий.

Неотдавнашно проучване на международен екип от учени, включващ специалисти от САЩ, Великобритания и Франция, хвърли светлина върху фундаменталните закони, управляващи този хаос. И това е станало, като са наблюдавали поведението на микроскопичните „торнада“ в течност, охладена почти до абсолютната нула.

Перфектната лаборатория в капка хелий

Представете си течност, която няма триене. Тя тече вечно, без да се забавя, и може сама да се изкачва по стените на съда, сякаш се противопоставя на гравитацията. Това не е научна фантастика, а реалността на свръхфлуидния хелий – състояние, в което хелият навлиза при температури под -271 °C.

Но основната 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 начин, в свръхфлуидния хелий цялото въртене е строго подредено. То може да съществува само под формата на т.нар. квантувани вихри.

Какво означава това? Казано по-просто, течността не може просто да се върти. Въртенето се случва на строго премерени „порции“, концентрирани в най-фините нишки, подобно на микроскопични вихри. Всеки такъв вихър е една стабилна, почти вечна структура, носеща минималния възможен „заряд“ на въртене, предписан от законите на квантовата механика. Както обяснява професор Вей Гуо, един от авторите на статията, тези вихри са „топологично защитени“, което ги прави невероятно стабилни и лесни за наблюдение.

Именно тази предсказуемост превръща свръхтечния хелий в идеален „пясъчник“ за изучаване на турбулентността. Вместо да се опитват да проследят хаоса в един нормален въздушен поток, учените успяха да наблюдават поведението на отделните, добре дефинирани вихри.

Да видиш невидимото и да разбереш необратимото

И така, как можем да надникнем в този квантов свят? Самите вихри са невидими. За да ги проследи, изследователският екип е използвал елегантен метод: инжектирал е малки замразени частици деутерий (тежък водород) в свръхфлуиден хелий. Тези частици, подобно на прашинки в слънчев лъч, улавят вихрите и ги правят видими. Насочвайки плосък лазерен лъч към тях и заснемайки случващото се с високоскоростна камера, учените успяха да запишат в детайли балета на тези квантови торнада.

Тук ги е очаквало голямо откритие. Когато два такива вихъра се сблъскат и „свържат отново“, т.е. разкъсат и образуват нови връзки, се случва нещо невероятно.

След сблъсъка вихрите винаги се разделят по-бързо, отколкото се събират.

Този на пръв поглед прост факт е от огромно значение. Той ни казва, че процесът е необратим. Все едно две билярдни топки след сблъсък не просто да отскочат, а да придобият допълнителна инерция, сякаш от нищото. Разбира се, енергията не се появява от нищото. Оказа се, че в момента на повторно свързване част от енергията, съдържаща се в самата структура на вихровите линии, се освобождава под формата на рязък изблик, който ги ускорява.

Това явление, наречено асиметрия на времето, се оказа универсален закон. Той описва фундаменталния механизъм на това как енергията се предава и разсейва в течните среди – независимо дали става дума за леден хелий или горещ въздух в турбина.

От квантовия свят до бученето на реактивен двигател

Какво общо имат тези микроскопични квантови ефекти с нашето ежедневие? Пряко. Въпреки че самите квантови вихри съществуват само в екзотични условия, е установено, че физическите принципи на тяхното взаимодействие – сблъсък, повторно свързване и освобождаване на енергия – са общи за всички течности и газове.

Турбулентността в класическия свят всъщност е сложна мрежа от много такива взаимодействащи си вихри от различен мащаб. Разбирането на начина, по който енергията преминава от големите вихри към малките вихри на най-фундаментално ниво, дава невероятни перспективи.

• Инженерните науки: Това знание би могло един ден да помогне за създаването на по-ефективни и по-тихи реактивни двигатели, по-продуктивни турбини за електроцентралите и дори за проектирането на корпуси на кораби, които изпитват по-малко съпротивление от страна на водата.
• Прогнозирането: Подобрените модели на турбулентността могат да подобрят точността на прогнозите за времето и климатичните модели, тъй като атмосферните и океанските течения са чиста турбулентност.
• Фундаменталната наука: Това изследване е чудесен пример за това как изучаването на едно-единствено, на пръв поглед тясно специализирано явление, свързва твърде различни области на физиката – от квантовата механика до динамиката на флуидите.

Работата на международния екип от учени показа, че понякога е необходимо да се разгледат най-малките и най-прости системи, за да се решат най-големите и сложни проблеми. Изучавайки предсказуемия и подреден танц на квантовите торнада, ние получаваме ключ към разбирането на всеобхватния и мощен хаос, който оформя света около нас. Едно наистина полезно откритие, което може да промени редица аспекти на съвременната индустрия.