Ученые нашли способ "упорядочить хаос": как турбулентность рождает структуры

Взгляните на бурный поток реки, на клубы дыма, поднимающиеся от костра, или на пенящийся след за катером. Все это примеры турбулентности — явления, которое, несмотря на свою повсеместность, до сих пор остается одной из величайших загадок физики.

Хаотичное, непредсказуемое движение жидкости или газа, казалось бы, не поддается никаким закономерностям. Однако, группа ученых из Чикагского университета, Эйндховенского технологического университета и Французского национального центра научных исследований сделала удивительное открытие: при определенных условиях из турбулентного хаоса могут спонтанно возникать упорядоченные структуры.

Ключом к этому феномену является «нечетная вязкость» — свойство, которое изменяет характер движения частиц жидкости, не рассеивая при этом энергию. Представьте себе обычную вязкость, как силу трения, которая замедляет движение и превращает его в тепло. Нечетная же вязкость ведет себя иначе: она «закручивает» движение частиц, не отбирая у них энергию.

В своей работе ученые смоделировали поведение жидкости с нечетной вязкостью, заставив все ее частицы вращаться как волчки. Затем, варьируя параметры модели, они обнаружили нечто необычное: при определенных условиях хаотичное вихревое движение сменялось упорядоченными структурами.

«Секрет в том, чтобы создать смешанный каскад, где большие вихри стремятся разделяться, а малые — сливаться», — объясняет Мишель Фрушар, один из авторов исследования. «Если удается добиться правильного баланса, возникают узоры».

Хотя искусственно создать жидкость с нечетной вязкостью довольно сложно, в природе существуют явления, где это свойство может проявляться. Например, подобное поведение демонстрируют электроны или многоатомные газы в магнитном поле. Ученые полагают, что нечетная вязкость может играть роль в формировании структур в солнечной короне и солнечном ветре, а также в атмосферных потоках и плазме.

Открытие возможности «упорядочивания хаоса» в турбулентных потоках имеет огромный потенциал. Понимание механизмов возникновения структур из вихревого движения может помочь нам создать более эффективные самолеты, двигатели и ветряные турбины, а также лучше прогнозировать поведение атмосферы и космической плазмы.

«Мы только в начале пути», — говорит профессор Винченцо Вителли, один из руководителей исследования, — «но меня завораживает идея, что можно взять турбулентное состояние, которое является воплощением хаоса, и использовать его для создания узоров. Это фундаментальное изменение, достигаемое лишь небольшим «подкручиванием» на самом малом масштабе».

Исследование ученых открывает новую главу в изучении турбулентности. Возможно, в будущем мы научимся не только понимать, но и управлять этим загадочным явлением, превращая хаос в источник порядка и эффективности.