- 开创性的，70年前的湍流理论第一次被实验证实
- 应用范围从木星的大红斑到超导体中的电子运动
- 可用图像和视频
NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Gerald Eichstadt/Justin Cowart
本周发表的两项澳大利亚研究首次证明了一个有70年历史的湍流理论。
“这些研究证实了一个开创性的理论，即二维流体流动中的湍流形成了大规模涡，其中大涡来自较小涡的明显混乱，”作者马特·戴维斯教授说，他是FLEET在昆士兰大学论文中的负责人。
从半导体中的电子到肥皂泡的表面，再到诸如旋风这样的大气现象，在各种系统中都可以观察到局限于二维流动的流体。
莫纳什大学研究的主要作者肖恩·约翰斯通(Shaun Johnstone)说:“在这种2D流动中常见的特征之一是，流体从最初混乱的典型湍流旋转运动形成了大规模的旋转运动，比如木星著名的大红斑。”
紊流是一个出了名的难题，它具有流体看似随机和混乱的运动，对它没有一般的理论描述。(事实上，克莱数学研究所为提出湍流理论的人提供了100万美元的奖金。)
然而，1949年诺贝尔奖得主Lars Onsager提出了一个简单的理论来解释从最初的二维湍流中形成大尺度涡旋运动。
尽管Onsager的二维湍流物理图像很有吸引力，但它只能对一种特殊类型的流体进行定量预测:一种“超流体”，它流动时没有任何粘度或阻力，而且只能在极低的温度下实现。直到现在，这使得昂萨格的理论难以验证。
两个大桨叶电势搅动BEC引起大规模流动(UQ研究)
“这项研究广泛地与新兴的非平衡物理研究领域相关，更具体地与超流体和超导体的研究相关，”作者克里斯·赫尔默森教授说，他与约翰斯通在莫纳什物理和天文学院合作。
这些研究也坚定地确立了二维BECs作为二维流体和湍流实验研究系统的地位。
今天发表在《科学》杂志上的两篇论文描述了这项新研究，其中一项实验研究由FLEET的莫纳什大学节点领导，另一项由昆士兰大学的EQUS/FLEET合作领导。
为什么会有漩涡和量子乱流
大多数人都熟悉漩涡的概念:无论是熟悉的扭曲形状的龙卷风，还是在浴缸中形成的简单的漩涡，通过塞孔流出。
偶极子主导涡(莫纳什研究)
涡旋也发生在没有垂直运动的二维系统中，如在液体表面，或在大气系统中，如气旋。事实上，二维涡旋涵盖了广泛的系统，从中子星表面中子的超流体运动到大西洋湾流，再到高温超导体中电子的零阻力运动。
70年来，我们对这种二维涡旋系统的理解一直受到Lars Onsager的理论的控制，该理论认为，在一个湍流的二维系统中，当更多的能量投入到小涡旋的混沌混合中，随着时间的推移，在同一方向旋转的涡旋将聚集成更大、稳定的涡旋——系统变得有序，而不是更加混乱。
为了使他1949年的理论在数学上易于处理，昂萨格考虑了一种超流体，他说这种超流体具有“量子化”涡旋(具有量子化角动量的涡旋)，这个概念由理查德·费曼进一步发展。
Onsager的理论描述了一个二维湍流系统的能量聚集在高能、长寿命、大尺度的漩涡中。这是一种不寻常的平衡状态，其中熵作为能量的函数而减少-与我们认为的“正常”热力学制度相反。
蒙纳士领导的团队在一定温度范围内生成了涡旋分布，并观察了它们随后的演变。正如昂萨格所描述的那样，以相对随机的漩涡分布开始的状态开始自我排序。另一方面，昆士兰大学的研究直接产生了两个大的漩涡群，它们朝着相反的方向流动，测试了这种高度有序配置的稳定性。
这两项研究都使用玻色爱因斯坦凝聚体(BECs)进行了实验，BECs是一种存在于超低温下的量子态，在这种状态下，量子效应在宏观尺度上变得可见。
研究人员使用激光在铷原子凝聚物中制造了湍流，并观察了随着时间的推移产生的涡流的行为。
昆士兰大学FLEET的马特·戴维斯教授领导了这项研究
昆士兰大学的研究这是Onsager负温涡簇态的首次实验观测，也是超流体玻色爱因斯坦凝聚中二维湍流的阻尼点涡模型的首次实验实现。
莫纳什大学的研究证实了Onsager在湍流中形成大规模涡结构的开创性理论，基于量化涡的统计力学的二维流体流动。
这两项研究都为未来研究远离平衡的相互作用量子系统中的涌现结构提供了巨大的希望。
研究
这两项研究:二维量子流体中的巨型涡团(DOI: 10.1126/science.aat5718)和二维超流体中湍流大尺度流动的演化(DOI: 10.1126/ Science .aat5793)都发表在今天的《科学》杂志上。
昆士兰大学的泰勒·尼利博士和哈琳娜·鲁宾斯坦-邓洛普教授领导了这项研究量子工程系统卓越中心(EQUS)，该研究得到了FLEET的马特·戴维斯教授和马特·里夫斯博士以及英国皇家科学院的研究人员的理论支持量子科学中心在新西兰奥塔哥大学。除此之外的支持澳大利亚研究理事会的资助多德-沃尔斯光子和量子技术中心(新西兰)和新西兰皇家学会马斯登基金。
除了来自物理和天文学院的研究人员外，莫纳什大学的研究还包括来自联合量子研究所马里兰大学。这项研究也得到了澳大利亚研究委员会的支持。
在FLEET研究非平衡系统
虽然这些结果专门描述了湍流，这是一个众所周知的理论上难以描述的问题，但它们更广泛地与非平衡物理有关——远离平衡的系统的演化，特别是通过将能量注入湍流系统而产生的相干的、大规模的流动。
几个世纪以来，科学家已经对平衡系统有了很好的理解。但是，一个远离平衡的系统会发生什么，仍然是现代材料物理学最大的未知挑战之一。
在FLEET，非平衡系统被用于追求电流的零电阻路径。
FLEET是澳大利亚研究委员会资助的研究中心，汇集了100多名澳大利亚和国际专家，以开发新一代超低能耗电子产品，以减少计算消耗的能源。
资源
从太空观察的气旋天气系统:另一个2D涡旋
更多的信息
- 联系克里斯·赫尔默森教授kristian.helmerson@monash.edu
- 联系泰勒·尼利博士t.neely@uq.edu.au
- 联络Matthew Davis教授mdavis@physics.uq.edu.au
- 连接@FLEETCentre
- 访问FLEET.org.au
- 发现舰队的非平衡物理
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