Хотя порядок часто переходит в хаос, иногда все наоборот. Например, турбулентная жидкость имеет тенденцию самопроизвольно образовывать аккуратный узор: параллельные полосы.
Хотя физики наблюдали это явление экспериментально, теперь они могут объяснить, почему это происходит, используя фундаментальные уравнения гидродинамики, приближая их на шаг к пониманию того, почему частицы ведут себя таким образом.
В лаборатории, когда жидкость помещается между двумя параллельными пластинами, которые движутся в противоположных направлениях друг от друга, ее поток становится турбулентным. Но через некоторое время турбулентность начинает сглаживаться в виде полосок. В результате получается полотно из плавных и турбулентных линий, проходящих под углом к потоку (представьте себе небольшие волны, создаваемые ветром в реке).
«Вы получаете структуру и четкий порядок из хаотического движения турбулентности», - сказал старший автор Тобиас Шнайдер, доцент в инженерной школе Швейцарского федерального технологического института в Лозанне. Такое «странное и очень неясное» поведение «очаровывало ученых долгое время».
Физик Ричард Фейнман предсказал, что объяснение должно быть скрыто в фундаментальных уравнениях динамики жидкости, называемых уравнениями Навье-Стокса.
Но эти уравнения очень трудно решить и проанализировать, сказал Шнайдер Live Science. (Показывать, что уравнения Навье-Стокса даже имеют плавное решение в каждой точке для трехмерной жидкости, является одной из задач, связанных с премией тысячелетия в 1 миллион долларов.) До этого момента никто не знал, как уравнения предсказывают такое поведение формирования шаблонов. Шнайдер и его команда использовали комбинацию методов, включая компьютерное моделирование и теоретические расчеты, чтобы найти набор «очень специальных решений» для этих уравнений, которые математически описывают каждый шаг перехода от хаоса к порядку.
Другими словами, они разбили хаотическое поведение на его не хаотические строительные блоки и нашли решения для каждого маленького куска. «Поведение, которое мы наблюдаем, не таинственная физика», - сказал Шнайдер. «Это как-то скрыто в стандартных уравнениях, которые описывают поток жидкости».
Этот шаблон важно понимать, потому что он показывает, как турбулентный и спокойный, иначе известный как «ламинарный поток», конкурируют друг с другом, чтобы определить свое конечное состояние, согласно утверждению. Когда происходит такая картина, турбулентный и ламинарный потоки равны по силе - ни одна из сторон не выиграет перетягивание каната.
Но эта модель на самом деле не наблюдается в природных системах, таких как турбулентность в воздухе. Шнайдер отмечает, что подобная схема на самом деле «была бы довольно плохой» для самолета, потому что она должна была бы пролететь через эшафот неровных турбулентных, а не турбулентных линий.
Скорее, главная цель этого эксперимента состояла в том, чтобы понять фундаментальную физику жидкостей в контролируемой среде, сказал он. Только понимая очень простые движения жидкостей, мы можем начать понимать более сложные системы турбулентности, которые существуют повсюду вокруг нас, от воздушного потока вокруг самолетов до внутренней части трубопроводов, добавил он.
Исследователи опубликовали свои выводы 23 мая в журнале Nature Communications.
