Турбулентные волны: равновесие и термодинамика
Крупномасштабное поведение турбулентных волн сложно предсказать, но оно имеет важное значение для моделирования климата, прогнозирования погоды и даже для понимания дальнодействующих взаимодействий в квантовых жидкостях.
Марлон Верне и Эрик Фалькон из Парижского университета и Французского национального центра научных исследований (CNRS) предоставили экспериментальные доказательства того, что некоторые системы турбулентных волн достигают сбалансированного состояния, называемого статистическим равновесием, которое также наблюдается в газах.
Их наблюдения показывают, что свойства этих крупномасштабных турбулентных систем можно описать с помощью концепций классической термодинамики, предполагая, что их поведение можно предсказать с помощью установленных инструментов статистической физики [1].
Динамическое поведение турбулентности
Динамическое поведение вихрей, ряби и других турбулентных явлений часто характеризуется как нелинейный перенос, или «каскад», энергии в сторону меньших масштабов. Перенос в сторону больших масштабов также играет важную роль в перераспределении энергии, но он плохо изучен.
Физики предполагают с 1950-х годов, что энергия, вводимая на малых масштабах, может генерировать крупномасштабные турбулентные особенности. В некоторых системах энергия становится равномерно распределённой между этими крупномасштабными модами и больше не перетекает между ними. Это состояние равновесия напрямую эквивалентно тепловому равновесию газа, где коллективная статистика частиц газа может быть использована для определения объёмных свойств, таких как температура и давление.
Если будет показано, что к турбулентным системам в крупномасштабном режиме применимы аналогичные статистические методы, у физиков появится инструмент для прогнозирования их динамики.
Экспериментальные исследования
Численное моделирование подтвердило идею о том, что крупномасштабная турбулентность достигает состояния равновесия, но экспериментальные доказательства только недавно начали появляться. Эти экспериментальные исследования были сосредоточены на конкретных системах, которые можно подготовить и измерить в лаборатории, где энергия на малых масштабах может быть передана в крупномасштабный режим.
Например, было показано, что небольшие ряби, образующиеся на поверхности жидкости, создают равновесное состояние, которое можно описать с помощью эффективной температуры [2]. Предыдущее экспериментальное исследование Фалькона и другого коллеги в 2022 году также измерило эффективную температуру для трёхмерного турбулентного потока в жидкости, показав, что состояние равновесия, достигаемое на больших масштабах, сосуществует с турбулентным поведением на меньшем масштабе [3].
Квантовая жидкость имитирует горизонт событий чёрной дыры
Учёные предсказывают, что экзотические квантовые эффекты происходят вблизи горизонта событий чёрной дыры — границы, за которой ничто не может вырваться. Эти эффекты невозможно наблюдать с помощью современных астрономических детекторов, но их можно изучить с помощью лабораторных аналогов горизонтов событий.
Максime Жаке из лаборатории Кастлера-Брошеля во Франции и его коллеги продемонстрировали новый аналог, использующий квантовую жидкость света [1]. Эта платформа предлагает способ изучить, как ведут себя квантовые поля как вблизи чёрных дыр, так и в произвольном искривлённом пространстве-времени.
Исследователи направили лазерный луч на набор слоистых полупроводников, зажатых между двумя зеркалами. Фотоны луча соединялись с электрон-дырочными связанными состояниями в полупроводниках, образуя гибридные квазичастицы света и вещества, называемые поляритонами. Эти квазичастицы коллективно действовали как жидкость света, которая текла внутри полупроводников.
Манипулируя пространственным профилем луча, команда создала искусственный горизонт, где скорость потока переходила от меньшей скорости звука к сверхзвуковой. Звуковые волны, которые естественным образом формировались в этой жидкости, не могли выйти за горизонт, по аналогии с горизонтом событий чёрной дыры.
Используя точную методику световых измерений, команда изучила поведение звуковых волн по обе стороны от искусственного горизонта. Для чёрной дыры квантовые флуктуации вблизи горизонта событий, как полагают, создают пары частиц, в которых одна частица имеет отрицательную энергию, а другая — положительную энергию. Первая падает в чёрную дыру, а вторая излучается из неё, и этот процесс приводит к постепенной потере массы чёрной дырой.
Исследователи обнаружили, что их поляритонная жидкость имела необходимые компоненты для аналогичного эффекта, со звуковыми волнами вместо частиц.
[1]: ссылка
[2]: ссылка
[3]: ссылка
— Сьюзан Кёртис, независимый журналист из Бристоля, Великобритания
— Райан Уилкинсон, редактор журнала Physics Magazine, Дарем, Великобритания