Vaikka järjestys johtaa usein kaaokseen, toisinaan päinvastoin. Esimerkiksi turbulenssilla nesteellä on taipumus muodostaa spontaanisti siisti kuvio: yhdensuuntaiset raidat.
Vaikka fyysikot olivat tarkkailleet tätä ilmiötä kokeellisesti, he voivat nyt selittää miksi näin tapahtuu käyttämällä nesteen dynamiikan perusyhtälöitä, tuomalla heidät askeleen lähemmäksi ymmärtämistä, miksi hiukkaset käyttäytyvät tällä tavalla.
Kun neste asetetaan laboratoriossa kahden rinnakkaisen levyn väliin, jotka liikkuvat vastakkaisiin suuntiin toisistaan, sen virtauksesta tulee turbulentti. Mutta hetken kuluttua turbulenssi alkaa tasoittua raidallisessa kuviossa. Tuloksena on kangas tasaisista ja pyörteisistä viivoista, jotka kulkevat virtauksen suhteen (kuvittele pienet tuulen aiheuttamat aallot joessa).
"Saat rakenteen ja selkeän järjestyksen kaoottisesta turbulenssiliikkeestä", sanoi vanhempi kirjailija Tobias Schneider, apulaisprofessori Sveitsin liittovaltion teknisessä korkeakoulussa Lausannessa. Tämä "eräänlainen outo ja hyvin hämärtävä" käyttäytyminen on "kiehtonut tutkijoita pitkään, pitkään".
Fyysikko Richard Feynman ennusti, että selitys on piilotettava fluididynamiikan perusyhtälöihin, joita kutsutaan Navier-Stokes-yhtälöiksi.
Mutta näitä yhtälöitä on erittäin vaikea ratkaista ja analysoida, Schneider kertoi Live Science: lle. (Sen osoittaminen, että Navier-Stokes-yhtälöillä on joustava ratkaisu jokaisessa pisteessä 3D-nesteelle, on yksi miljoonan dollarin Millennium-palkinnon ongelmista.) Joten tähän päivään saakka kukaan ei tiennyt, kuinka yhtälöt ennustivat tätä mallinmuodostuksen käyttäytymistä. Schneider ja hänen tiiminsä käyttivät yhdistelmää menetelmiä, mukaan lukien tietokonesimulaatiot ja teoreettiset laskelmat löytääkseen joukkoon "hyvin erityisiä ratkaisuja" näihin yhtälöihin, jotka kuvaavat matemaattisesti jokaista vaihetta kaaosta järjestykseen.
Toisin sanoen he hajottivat kaoottisen käyttäytymisen ei-kaoottisiksi rakennuspalikoiksi ja löysivät ratkaisuja jokaiselle pienelle palaselle. "Tarkkailemamme käyttäytyminen ei ole salaperäistä fysiikkaa", Schneider sanoi. "Se on jotenkin piilotettu standardiyhtälöihin, jotka kuvaavat nesteen virtausta."
Tämä malli on tärkeä ymmärtää, koska se osoittaa, kuinka turbulentti ja rauhallinen, muuten nimeltään "laminaarivirtaus" kilpailevat keskenään lopputilansa määrittämiseksi lausunnon mukaan. Kun tämä kuvio esiintyy, pyörteet ja laminaarivirtaukset ovat yhtä vahvoja - ilman, että yksi sivu voittaa sodankäynnin.
Mutta tätä mallia ei oikeastaan näy luonnollisissa järjestelmissä, kuten ilmassa. Schneider toteaa, että tällainen malli olisi itse asiassa "melko huono" lentokoneelle, koska sen olisi lennettävä räjähdysmäisesti pyörteiden eikä pyörteiden linjojen kautta.
Pikemminkin tämän kokeen päätavoite oli ymmärtää nesteiden perusfysiikka hallitussa ympäristössä, hän sanoi. Vain ymmärtämällä nesteiden hyvin yksinkertaiset liikkeet voimme alkaa ymmärtää monimutkaisempia turbulenssijärjestelmiä, joita on kaikkialla ympärillämme, lentokoneiden ympärillä olevasta ilmavirrasta putkien sisäpuolelle, hän lisäsi.
Tutkijat julkaisivat havaintonsa 23. toukokuuta Nature Communications -lehdessä.
