Dos estudios australianos publicados esta semana ofrecen la primera prueba de una teoría de la turbulencia de 70 años.

"Los estudios confirman una teoría fundamental de la formación de vórtices a gran escala a partir de la turbulencia en el flujo de fluidos 2-D, donde los grandes vórtices emergen de un aparente caos de vórtices más pequeños, "dice el autor, el profesor Matt Davis, Liderazgo de FLEET en el artículo de la Universidad de Queensland.

Los fluidos restringidos al flujo en dos dimensiones se pueden observar en sistemas que van desde electrones en semiconductores, a la superficie de las pompas de jabón, a fenómenos atmosféricos como ciclones.

"Una de las características comúnmente observadas en tal flujo 2-D es la formación de un movimiento de remolino a gran escala del fluido a partir del movimiento de remolino inicialmente caótico típico del flujo turbulento, como la famosa Gran Mancha Roja de Júpiter, "dice el autor principal del estudio Monash, Shaun Johnstone.

Turbulencia, con su movimiento aparentemente aleatorio y caótico del fluido, es un problema notoriamente difícil, para lo cual no existe una descripción teórica general. (De hecho, el Clay Mathematics Institute ofrece un premio de un millón de dólares a cualquiera que se le ocurra una teoría de la turbulencia).

Hay, sin embargo, una teoría simple, propuesto en 1949 por el premio Nobel Lars Onsager, para explicar la formación de un movimiento de vórtice a gran escala a partir de un flujo 2-D inicialmente turbulento.

A pesar del atractivo de la imagen física de Onsager de la turbulencia 2-D, sólo puede hacer predicciones cuantitativas para un tipo especial de fluido:un 'superfluido, "que fluye sin viscosidad ni arrastre, y que solo se puede realizar a temperaturas extremadamente bajas. Esto había dificultado la prueba de la teoría de Onsager, hasta ahora.

"El estudio es de gran relevancia para el campo de investigación emergente de la física del desequilibrio, y más específicamente relevante para el estudio de superfluidos y superconductores, "dice el autor, el profesor Kris Helmerson, quien trabaja con Johnstone en la Escuela de Física y Astronomía de Monash.

La nueva investigación se describe en dos artículos publicados en Ciencias hoy dia, con un estudio experimental dirigido desde el nodo de la Universidad de Monash de FLEET, y el otro derivado de una colaboración EQUS / FLEET en la Universidad de Queensland.

Por que vórtices y turbulencias cuánticas

La mayoría de la gente está familiarizada con el concepto de vórtice:ya sea la forma familiar retorcida de un tornado, o el simple remolino que se forma en una bañera se desagua a través del desagüe.

Los vórtices también ocurren en sistemas 2-D donde no hay movimiento vertical, como en la superficie de los líquidos, o en sistemas atmosféricos como ciclones. De hecho, Los vórtices 2-D cubren una amplia gama de sistemas, desde el movimiento superfluido de neutrones en la superficie de estrellas de neutrones hasta la Corriente del Golfo del Océano Atlántico hasta el movimiento de resistencia cero de electrones en superconductores de alta temperatura.

Durante 70 años, nuestra comprensión de tales sistemas de vórtices 2-D se ha regido por la teoría de Lars Onsager de que a medida que se pone más energía en la mezcla caótica de pequeños vórtices en un turbulento sistema 2-D, con el tiempo, los vórtices que giran en la misma dirección se agruparían para formar más grandes, vórtices estables:el sistema se ordena, en lugar de más caótico.

Para hacer su teoría de 1949 matemáticamente manejable, Onsager considerado un superfluido, que, según él, habría cuantificado vórtices (vórtices con momento angular cuantificado), un concepto desarrollado por Richard Feynman.

La teoría de Onsager describió la energía de un sistema turbulento 2-D que se congrega en alta energía, longevo vórtices a gran escala. Este es un estado de equilibrio inusual en el que la entropía disminuye en función de la energía, lo contrario de lo que consideraríamos regímenes termodinámicos "normales".

El equipo liderado por Monash generó distribuciones de vórtices en un rango de temperaturas y observó su evolución posterior. Se vio que los estados que comenzaron con distribuciones relativamente aleatorias de vórtices comenzaban a ordenarse a sí mismos, como lo había descrito Onsager. El estudio de la Universidad de Queensland, por otra parte, generó directamente dos grandes grupos de vórtices, fluyendo en direcciones opuestas, probando la estabilidad de esta configuración altamente ordenada.

Ambos estudios experimentaron con condensados ​​de Bose Einstein (BEC), un estado cuántico que existe a temperaturas ultrabajas, y en el que los efectos cuánticos se hacen visibles a escala macroscópica.

Los investigadores crearon turbulencias en condensados ​​de átomos de rubidio usando láseres, y observó el comportamiento de los vórtices resultantes a lo largo del tiempo.

Ambos estudios ofrecen una gran promesa para estudios futuros de estructuras emergentes en sistemas cuánticos en interacción alejados del equilibrio.

Los dos estudios:"Evolución del flujo a gran escala a partir de la turbulencia en un superfluido bidimensional" y "Cúmulos de vórtices gigantes en un fluido cuántico bidimensional, "fueron publicados en Ciencias hoy dia.