Dois estudos australianos publicados esta semana oferecem a primeira prova de uma teoria da turbulência de 70 anos.

"Os estudos confirmam uma teoria seminal da formação de vórtices em grande escala a partir da turbulência no fluxo de fluido 2-D, onde os grandes vórtices emergem de um caos aparente de vórtices menores, "diz o autor Prof Matt Davis, A liderança da FLEET no artigo da Universidade de Queensland.

Fluidos restritos ao fluxo em duas dimensões podem ser observados em sistemas que variam de elétrons em semicondutores, para a superfície das bolhas de sabão, a fenômenos atmosféricos como ciclones.

"Uma das características comumente observadas em tal fluxo 2-D é a formação de movimento espiralado em grande escala do fluido a partir do movimento espiralado caótico típico do fluxo turbulento, como a famosa Grande Mancha Vermelha de Júpiter, "diz o principal autor do estudo Monash, Shaun Johnstone.

Turbulência, com seu movimento aparentemente aleatório e caótico do fluido, é um problema notoriamente difícil, para o qual não existe uma descrição teórica geral. (Na verdade, o Clay Mathematics Institute oferece um prêmio de um milhão de dólares para qualquer um que apresentar uma teoria da turbulência.)

Há, Contudo, uma teoria simples, proposto em 1949 pelo ganhador do Nobel Lars Onsager, para explicar a formação de movimento de vórtice em grande escala a partir de um fluxo 2-D inicialmente turbulento.

Apesar do apelo da imagem física de turbulência 2-D de Onsager, ele só pode fazer previsões quantitativas para um tipo especial de fluido:um 'superfluido, "que flui sem qualquer viscosidade ou arrasto, e que só pode ser realizado em temperaturas extremamente baixas. Isso dificultou o teste da teoria de Onsager, até agora.

"O estudo é amplamente relevante para o campo de pesquisa emergente da física do não-equilíbrio, e mais especificamente relevante para o estudo de superfluidos e supercondutores, "diz o autor Prof Kris Helmerson, que trabalha com Johnstone na Escola de Física e Astronomia da Monash.

A nova pesquisa é descrita em dois artigos publicados em Ciência hoje, com um estudo experimental conduzido a partir do nó Monash University da FLEET, e o outro liderado por uma colaboração EQUS / FLEET na Universidade de Queensland.

Por que vórtices e turbulência quântica

A maioria das pessoas está familiarizada com o conceito de vórtice:seja a conhecida forma de torção de um tornado, ou o simples redemoinho que se forma em uma banheira é drenado pelo ralo.

Os vórtices também ocorrem em sistemas 2-D onde não há movimento vertical, como na superfície de líquidos, ou no sistema atmosférico, como ciclones. Na verdade, Os vórtices 2-D cobrem uma vasta gama de sistemas, desde o movimento superfluido de nêutrons na superfície de estrelas de nêutrons até a Corrente do Golfo do Oceano Atlântico ao movimento de resistência zero dos elétrons em supercondutores de alta temperatura.

Por 70 anos, nossa compreensão de tais sistemas de vórtices 2-D foi governada pela teoria de Lars Onsager de que quanto mais energia é colocada na mistura caótica de pequenos vórtices em um sistema turbulento 2-D, ao longo do tempo, os vórtices girando na mesma direção se agrupariam para se formarem maiores, vórtices estáveis ​​- o sistema torna-se ordenado, em vez de mais caótico.

A fim de tornar sua teoria de 1949 matematicamente tratável, Onsager considerado um superfluido, que ele afirmou que teria vórtices quantizados (vórtices com momento angular quantizado), um conceito desenvolvido posteriormente por Richard Feynman.

A teoria de Onsager descreveu a energia de um sistema turbulento 2-D reunindo-se em alta energia, de longa vida, vórtices em grande escala. Este é um estado de equilíbrio incomum em que a entropia diminui em função da energia - o oposto do que consideraríamos regimes termodinâmicos "normais".

A equipe liderada pela Monash gerou distribuições de vórtices em uma faixa de temperaturas e observou sua evolução subsequente. Estados que começaram com distribuições relativamente aleatórias de vórtices começaram a se ordenar, como Onsager havia descrito. O estudo da University of Queensland, por outro lado, gerou diretamente dois grandes aglomerados de vórtices, fluindo em direções opostas, testar a estabilidade desta configuração altamente ordenada.

Ambos os estudos experimentaram o uso de condensados ​​Bose Einstein (BECs), um estado quântico que existe em temperaturas ultrabaixas, e em que os efeitos quânticos se tornam visíveis em uma escala macroscópica.

Os pesquisadores criaram turbulência em condensados ​​de átomos de rubídio usando lasers, e observou o comportamento dos vórtices resultantes ao longo do tempo.

Ambos os estudos oferecem grande promessa para estudos futuros de estruturas emergentes em sistemas quânticos em interação dirigidos longe do equilíbrio.

Os dois estudos:"Evolução do fluxo em grande escala da turbulência em um superfluido bidimensional" e "Aglomerados de vórtices gigantes em um fluido quântico bidimensional, "foram ambos publicados em Ciência hoje.