Ученые нашли способ взбудоражить хаотичные газы и сделать их более турбулентными

Если для равновесных физических систем термодинамика является бесценным инструментом, позволяющим делать предсказания об их состоянии и поведении, не требуя доступа ко многим деталям, то поиск столь же общих и кратких описаний неравновесных систем представляет собой сложную задачу.

Парадигматическим примером неравновесных систем являются турбулентные системы, которые повсеместно встречаются как в естественных, так и в синтетических условиях, от кровотока до самолетов. Известно, что волновая турбулентность представляет собой очень сложную проблему, которую нелегко рассчитать и нелегко измерить, поскольку в ней участвуют волны самых разных длин.

Теперь ученые из Кембриджского университета смогли добиться определенного прогресса, исследуя волновую турбулентность с помощью ультрахолодного квантового газа. В центре этого исследования находится конденсат Бозе-Эйнштейна (BEC) — состояние материи, достигаемое при охлаждении газа до температуры, близкой к абсолютному нулю. Этот квантовый газ, находящийся в «контейнере», создаваемом лазером в вакууме, подвергался управляемым колебаниям, генерирующим каскад волн, похожих на фракталы, называемый турбулентным каскадом. При непрерывном встряхивании BEC достигается устойчивое состояние, форма каскада которого полностью отличается от равновесных состояний.

Отличительной особенностью данного исследования является возможность систематического изучения и измерения свойств турбулентных каскадов, а также экспериментального построения уравнения состояния (УЭС) для них — задача, которая до сих пор оставалась трудновыполнимой для других неравновесных систем.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature, показывают, что при варьировании энергии, подводимой через вибрации, характеристики турбулентного состояния зависят только от величины энергии, а не от внешних факторов, таких как частота вибраций или форма контейнера.

Я всегда чувствовала, что в измеренной нами турбулентности есть некая общая структура, — делится первый автор статьи, аспирант Кавендишской лаборатории Лена Догра.

У нас ушло 3 года на то, чтобы найти правильный угол зрения, под которым мы смотрели на данные. Наконец, все совпало, и мы получили эту прекрасную универсальную связь.

Это открытие перекликается с универсальностью закона идеального газа для равновесных состояний далеко неравновесных турбулентных каскадов. Вспомнив закон идеального газа, который не зависит от того, как система достигла своего текущего состояния, исследователи обнаружили, что-то же самое справедливо и для далеко неравновесного турбулентного каскада, если внезапно изменить силу встряски и переключиться между различными турбулентными состояниями. Наконец, варьируя внутренние свойства BEC, т.е. плотность и силу взаимодействия между атомами, они обнаружили, что EoS может быть приведена к одной универсальной форме, которая фиксирует их все вместе.

Систематические способы понимания равновесных систем хорошо известны. Эта работа — шаг к распространению таких подходов на неравновесные системы, которые обычно гораздо труднее понять, — сказал профессор Зоран Хаджибабич (Zoran Hadzibabic) из Кавендишской лаборатории.

Наиболее интересным аспектом данного исследования является разгадка того, как хаотическая система может быть заключена в простом универсальном соотношении. Изучение переходов между турбулентными состояниями, хотя и является шагом на пути к уравнению состояния (EoS), увлекательно само по себе. Исследователи хотели бы выяснить, что происходит в переходный период непосредственно после изменения встряски, и изучить, как измерения связаны с предсказаниями динамики, которую претерпевает система на пути от равновесия к далекому от равновесия состоянию и обратно, что часто связано с турбулентностью.

Полученные результаты имеют как сходства, так и расхождения с теориями турбулентности, применяемыми к так называемому уравнению Гросса—Питаевского (УГП), которое описывает конденсированный газ Бозе-Эйнштейна как один из классических объектов. Оно также описывает многие другие системы — от оптических волокон до гравитационных волн на поверхности воды. Расхождения между текущими результатами и теориями могут быть связаны как с нарушением приближенной теории турбулентности, так и с квантовыми эффектами, не учитываемыми в GPE. Ответ на вопрос о том, какую роль играют оба эти аспекта, является интересной задачей на будущее.

17.08.2023