Mens orden ofte går over til kaos, er det undertiden det modsatte. Turbulent væske har for eksempel en tendens til spontant at danne et ryddeligt mønster: parallelle striber.
Selvom fysikere havde observeret dette fænomen eksperimentelt, kan de nu forklare, hvorfor dette sker ved hjælp af grundlæggende væskedynamik-ligninger, hvilket bringer dem et skridt tættere på at forstå, hvorfor partikler opfører sig på denne måde.
Når der placeres en væske i laboratoriet mellem to parallelle plader, der bevæger sig i modsatte retninger fra hinanden, bliver dens strøm turbulent. Men efter et stykke tid begynder turbulensen at glatte ud i et stribet mønster. Hvad der resulterer i, er et lærred af glatte og turbulente linjer, der løber i en vinkel på strømmen (forestil dig svage vindskabte bølger i en flod).
”Du får struktur og klar orden ud af den kaotiske bevægelse af turbulens,” sagde seniorforfatter Tobias Schneider, en lektor i teknikskolen ved det schweiziske føderale teknologiske institut Lausanne. Denne "slags underlige og meget uklare" opførsel har "fascineret forskere i lang, lang tid."
Fysiker Richard Feynman forudsagde, at forklaringen skal være skjult i grundlæggende ligninger af væskedynamik, kaldet Navier-Stokes-ligningerne.
Men disse ligninger er meget vanskelige at løse og analysere, fortalte Schneider til Live Science. (At vise, at Navier-Stokes-ligningerne endda har en jævn løsning på hvert punkt for en 3D-væske, er et af $ 1 million Millennium Prize-problemerne.) Så indtil dette tidspunkt vidste ingen, hvordan ligningerne forudsagde denne mønsterdannende opførsel. Schneider og hans team brugte en kombination af metoder, inklusive computersimuleringer og teoretiske beregninger for at finde et sæt "meget specielle løsninger" til disse ligninger, som matematisk beskriver hvert trin i overgangen fra kaos til orden.
Med andre ord, de brød den kaotiske opførsel ned i dens ikke-kaotiske byggesten og fandt løsninger til hver lille del. "Den opførsel, som vi observerer, er ikke en mystisk fysik," sagde Schneider. "Det er på en eller anden måde skjult i standard ligninger, der beskriver væskestrøm."
Dette mønster er vigtigt at forstå, fordi det viser, hvordan den turbulente og den rolige, ellers kendt som "laminær strømning", konkurrerer med hinanden for at bestemme dens endelige tilstand, ifølge en erklæring. Når dette mønster forekommer, er de turbulente og laminære strømme lige i styrke - uden at nogen side vinder dragkampen.
Men dette mønster ses ikke rigtig i naturlige systemer, såsom turbulens i luften. Schneider bemærker, at et mønster som dette faktisk "vil være temmelig dårligt" for flyet, fordi det ville skulle flyve gennem et stillads af ujævn turbulente og ikke turbulente linjer.
Snarere var det største mål med dette eksperiment at forstå den grundlæggende fysik af væsker i et kontrolleret miljø, sagde han. Kun ved at forstå de meget enkle bevægelser med væsker, kan vi begynde at forstå de mere komplekse turbulenssystemer, der findes overalt omkring os, fra luftstrømmen rundt om fly til indersiden af rørledninger, tilføjede han.
Forskerne offentliggjorde deres fund 23. maj i tidsskriftet Nature Communications.
