Турбулентные волны ведут себя как газ: экспериментальные доказательства
Крупномасштабное поведение турбулентных волн трудно 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 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 мало изучен. Физики предполагают, что энергия, вводимая на малых масштабах, может генерировать крупномасштабные турбулентные особенности.
В некоторых системах энергия равномерно распределяется между этими крупномасштабными модами и больше не перетекает между ними. Это равновесное состояние напрямую эквивалентно тепловому равновесию газа, где коллективную статистику частиц газа можно использовать для определения объёмных свойств, таких как температура и давление. Если будет показано, что аналогичная статистика применима к турбулентным системам в крупномасштабном режиме, у физиков будет инструмент для прогнозирования их динамики.
Численное моделирование и экспериментальные доказательства
Численное моделирование поддержало 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, и где энергия на малых масштабах может быть передана в крупномасштабный режим.
Например, было показано, что небольшие ряби, которые образуются 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 равновесное состояние, достигаемое на больших масштабах, сосуществует с турбулентным поведением на меньшем масштабе [3].
Исследование применения концепций термодинамики к крупномасштабным турбулентным волнам
Чтобы выяснить, можно ли применить другие концепции из термодинамики к крупномасштабным турбулентным волнам, Верне и Фалькон обратили внимание на поверхностные волны, которые образуются в воде, покрытой тонкой плавающей структурой. Движение воды заставляет структуру изгибаться и прогибаться, в результате чего возникает поверхностная волна, на которую влияют как гидродинамика жидкости, так и эластичные свойства структуры.
Для наблюдения исследователи покрыли большой водяной бак тонким слоем силикона. Турбулентные волны малого масштаба были созданы путём случайного встряхивания листа в одном месте, а затем оптические методы измеряли вертикальную деформацию листа в пространстве и времени, когда волны распространялись по поверхности.
Исследователи обнаружили, что начальное возбуждение коротких случайных волн в конечном итоге создаёт волны на более длинных масштабах. Их измерения показали, что энергия волны равномерно распределяется по всем модам волновой системы, подтверждая, что она достигла статистического равновесия.
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.
Теперь Максиме Жаке из лаборатории Кастлера-Броселя во Франции и его коллеги продемонстрировали новый аналог, использующий квантовую жидкость света [1]. Эта платформа предлагает способ изучить, как квантовые поля ведут себя 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 электронно-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 вырваться из-за горизонта, 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 сразу за горизонтом событий, как полагают, создают пары частиц, в которых одна частица имеет отрицательную энергию, а другая — положительную. Первая падает в чёрную дыру, а вторая излучается из неё, и этот процесс заставляет чёрную дыру постепенно терять массу.
Исследователи обнаружили, что их поляритонная жидкость имела необходимые компоненты для аналогичного эффекта, со звуковыми волнами, а не с частицами.
[1] — ссылка на источник.
[2] — ссылка на источник.
[3] — ссылка на источник.
Перевод выполнен с учётом принципов научной коммуникации и стилистической адаптации.