Due studi australiani pubblicati questa settimana offrono la prima prova di una teoria della turbolenza vecchia di 70 anni.

"Gli studi confermano una teoria fondamentale della formazione di vortici su larga scala dalla turbolenza nel flusso di fluidi 2-D, dove i grandi vortici emergono da un apparente caos di vortici più piccoli, " dice l'autore Prof Matt Davis, La guida di FLEET sul documento dell'Università del Queensland.

I fluidi limitati al flusso in due dimensioni possono essere osservati in sistemi che vanno dagli elettroni ai semiconduttori, alla superficie delle bolle di sapone, a fenomeni atmosferici come i cicloni.

"Una delle caratteristiche comunemente osservate in tale flusso 2-D è la formazione di un movimento vorticoso su larga scala del fluido dal movimento vorticoso inizialmente caotico tipico del flusso turbolento, come la famosa Grande Macchia Rossa di Giove, ", afferma l'autore principale dello studio di Monash, Shaun Johnstone.

Turbolenza, con il suo moto apparentemente casuale e caotico del fluido, è un problema notoriamente difficile, per i quali non esiste una descrizione teorica generale. (Infatti, il Clay Mathematics Institute offre un premio di un milione di dollari a chiunque elabori una teoria della turbolenza.)

C'è, però, una semplice teoria, proposto nel 1949 dal premio Nobel Lars Onsager, per spiegare la formazione del movimento di vortice su larga scala dal flusso 2-D inizialmente turbolento.

Nonostante l'attrattiva dell'immagine fisica della turbolenza 2-D di Onsager, può solo fare previsioni quantitative per un tipo speciale di fluido:un "superfluido, " che scorre senza viscosità né trascinamento, e che può essere realizzato solo a temperature estremamente basse. Ciò aveva reso difficile la verifica della teoria di Onsager, fino ad ora.

"Lo studio è ampiamente rilevante per il campo di ricerca emergente della fisica del non equilibrio, e più specificamente rilevanti per lo studio di superfluidi e superconduttori, " dice l'autore Prof Kris Helmerson, che lavora con Johnstone alla School of Physics and Astronomy di Monash.

La nuova ricerca è descritta in due articoli in Scienza oggi, con uno studio sperimentale condotto dal nodo della Monash University di FLEET, e l'altro guidato da una collaborazione EQUS/FLEET presso l'Università del Queensland.

Perché vortici e turbolenza quantistica

La maggior parte delle persone ha familiarità con il concetto di vortice:se la familiare forma tortuosa di un tornado, o il semplice idromassaggio che si forma in una vasca da bagno defluisce attraverso lo scarico.

I vortici si verificano anche nei sistemi 2D dove non c'è movimento verticale, come sulla superficie dei liquidi, o in sistemi atmosferici come i cicloni. Infatti, I vortici 2-D coprono una vasta gamma di sistemi, dal movimento superfluido dei neutroni sulla superficie delle stelle di neutroni alla Corrente del Golfo dell'Oceano Atlantico al movimento a resistenza zero degli elettroni nei superconduttori ad alta temperatura.

Per 70 anni, la nostra comprensione di tali sistemi di vortici 2-D è stata governata dalla teoria di Lars Onsager secondo cui più energia viene immessa nel mix caotico di piccoli vortici in un turbolento sistema 2-D, nel tempo i vortici che ruotano nella stessa direzione si accumulerebbero per formare più grandi, vortici stabili:il sistema diventa ordinato, piuttosto che più caotico.

Per rendere matematicamente trattabile la sua teoria del 1949, Onsager considerato un superfluido, che ha affermato avrebbe quantizzato vortici (vortici con momento angolare quantizzato), un concetto ulteriormente sviluppato da Richard Feynman.

La teoria di Onsager descriveva l'energia di un sistema turbolento 2-D che si aggregava in alta energia, longevo, vortici su larga scala. Questo è uno stato di equilibrio insolito in cui l'entropia diminuisce in funzione dell'energia, l'opposto di quelli che considereremmo regimi termodinamici "normali".

Il team guidato da Monash ha generato distribuzioni di vortici a una gamma di temperature e ha osservato la loro successiva evoluzione. Gli stati che iniziavano con distribuzioni relativamente casuali di vortici furono visti cominciare ad ordinarsi da soli, come aveva descritto Onsager. Lo studio dell'Università del Queensland, d'altra parte, generato direttamente due grandi ammassi di vortici, che scorre in direzioni opposte, testare la stabilità di questa configurazione altamente ordinata.

Entrambi gli studi hanno sperimentato utilizzando i condensati di Bose Einstein (BEC), uno stato quantico che esiste a temperature ultra basse, e in cui gli effetti quantistici diventano visibili su scala macroscopica.

I ricercatori hanno creato turbolenza nei condensati di atomi di rubidio usando laser, e osservato il comportamento dei vortici risultanti nel tempo.

Entrambi gli studi offrono grandi promesse per studi futuri di strutture emergenti in sistemi quantistici interagenti spinti lontano dall'equilibrio.

I due studi:"Evoluzione del flusso su larga scala da turbolenza in un superfluido bidimensionale" e "Ammassi di vortici giganti in un fluido quantistico bidimensionale, " sono stati entrambi pubblicati in Scienza oggi.