Anche se può essere facile capire cosa provoca alcuni tipi di turbolenza – un albero abbattuto in un fiume o un orso che sguazza alla ricerca di salmoni – ora è dimostrato che un disturbo molto piccolo all’inizio può avere effetti drammatici in seguito. Invece di un albero, pensa a un ramoscello o anche al movimento sterzante di una molecola.

Nigel Goldenfeld, illustre professore di fisica dell'Università della California a San Diego, insieme al suo ex studente Dmytro Bandak e ai professori Alexei Mailybaev e Gregory Eyink, ha dimostrato in modelli teorici di turbolenza che anche i movimenti molecolari possono creare modelli di casualità su larga scala su un'area definita. periodo di tempo. Il loro lavoro appare in Physical Review Letters .

L'effetto farfalla

Una farfalla batte le ali in Brasile, provocando poi un tornado in Texas. Anche se comunemente usiamo la frase per denotare l’apparente interconnessione delle nostre vite, il termine “effetto farfalla” è talvolta associato alla teoria del caos. Goldenfeld ha affermato che il loro lavoro rappresenta una versione più estrema dell'effetto farfalla, descritto per la prima volta dal matematico e meteorologo Edward Lorenz nel 1969.

"Quello che abbiamo imparato è che nei sistemi turbolenti, un disturbo molto piccolo in un punto avrà un effetto amplificato in un punto finito nel futuro, ma attraverso un meccanismo che è più veloce del caos."

Sebbene il meccanismo matematico per questa amplificazione, noto come stocasticità spontanea, sia stato scoperto circa 25 anni fa, Goldenfeld osservò:"Il fatto che il movimento casuale delle molecole, responsabile del fenomeno quotidiano della temperatura, potesse generare una stocasticità spontanea non era noto prima dei nostri tempi". lavoro."

Ripensando al ramoscello nel fiume, anche se potresti notare un piccolo disturbo nel punto in cui l'acqua scorre sopra il ramoscello, non ti aspetteresti che crei una grande turbolenza (tramite vortici e vortici) a valle. Eppure questo è esattamente ciò che mostra l'articolo di Goldenfeld. Spiega che il meccanismo è noto come stocasticità spontanea, perché la casualità si verifica anche se ci si aspettava che il movimento del fluido fosse prevedibile.

Inoltre, sarebbe impossibile individuare il ramoscello che originariamente aveva messo in moto i vortici e i vortici. In effetti, potrebbe non esserci alcun disturbo nel flusso dell'acqua nel punto in cui si trova il ramoscello.

I risultati del team hanno inoltre dimostrato che la stocasticità spontanea avviene indipendentemente dal disturbo iniziale. Che si tratti di un ramoscello, di un sassolino o di una zolla di terra, la casualità che si ottiene su larga scala è la stessa. In altre parole, la casualità è intrinseca al processo.

Il team ha utilizzato il rumore termico come sistema per i propri calcoli perché è sempre presente, percepibile nel sibilo dell'amplificatore. Quel rumore è il suono degli elettroni che si muovono all'interno dei tuoi dispositivi elettronici. In un fluido, sono le molecole che si muovono al posto degli elettroni.

Sebbene l'equazione di Navier-Stokes sia il modello standard per il calcolo dei flussi turbolenti, era computazionalmente impossibile utilizzare le equazioni dei fluidi complete per simulare gli eventi turbolenti estremi necessari per dimostrare in modo convincente le affermazioni del team.

Invece, hanno usato un’equazione semplificata, e così facendo hanno dimostrato che un disturbo sulla scala dei micron (un milionesimo di metro) potrebbe far sì che interi sistemi fluidi mostrino una stocasticità spontanea in un modo che non dipende dalla fonte del disturbo. .

"Per ora basta questo", ha detto Goldenfeld, "ma speriamo che i futuri calcoli dei supercomputer saranno in grado di confermare i nostri risultati utilizzando le equazioni dei fluidi complete."

Predire il futuro e il passato

"Esiste un limite fondamentale a ciò che può essere previsto con la turbolenza", ha affermato Goldenfeld. "Lo si vede con le previsioni del tempo; c'è sempre una fonte fondamentale di casualità. Il senso preciso in cui questa imprevedibilità era inevitabile non era stato completamente compreso prima del nostro lavoro."

È questa casualità che rende così difficile prevedere con precisione il tempo con più di qualche ora di anticipo. Le stazioni meteorologiche campionano il tempo in località selezionate e le simulazioni al computer le collegano insieme, ma senza conoscere il tempo esatto ovunque in questo momento, è difficile prevedere il tempo esatto ovunque in futuro. Questo articolo suggerisce la possibilità che i limiti fondamentali esisteranno sempre perché la casualità sarà sempre presente.

Potrebbero esserci implicazioni anche nella ricerca astrofisica. Gli scienziati sanno già che le simulazioni computerizzate su come si formano le galassie e su come si è evoluto il nostro universo sono sensibili al rumore. Spesso, il comportamento di stelle, pianeti e galassie non può essere facilmente spiegato e può essere attribuito ai tipi di rumore microscopico scoperti da Goldenfeld e dai suoi colleghi.