Während Ordnung oft in Chaos übergeht, ist manchmal das Gegenteil der Fall. Beispielsweise neigt turbulente Flüssigkeit dazu, spontan ein ordentliches Muster zu bilden: parallele Streifen.
Obwohl Physiker dieses Phänomen experimentell beobachtet hatten, können sie nun anhand grundlegender Gleichungen der Fluiddynamik erklären, warum dies geschieht, und so dem Verständnis, warum sich Teilchen auf diese Weise verhalten, einen Schritt näher kommen.
Wenn im Labor eine Flüssigkeit zwischen zwei parallelen Platten platziert wird, die sich in entgegengesetzte Richtungen voneinander bewegen, wird ihre Strömung turbulent. Aber nach einer Weile beginnen sich die Turbulenzen in einem Streifenmuster zu glätten. Das Ergebnis ist eine Leinwand aus glatten und turbulenten Linien, die in einem Winkel zur Strömung verlaufen (stellen Sie sich leichte vom Wind erzeugte Wellen in einem Fluss vor).
"Durch die chaotische Bewegung der Turbulenzen erhält man Struktur und klare Ordnung", sagte der leitende Autor Tobias Schneider, Assistenzprofessor an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne. Diese "Art von seltsamem und sehr dunklem" Verhalten hat "Wissenschaftler für eine lange, lange Zeit fasziniert".
Der Physiker Richard Feynman sagte voraus, dass die Erklärung in fundamentalen Gleichungen der Fluiddynamik, den Navier-Stokes-Gleichungen, verborgen sein muss.
Aber diese Gleichungen sind sehr schwer zu lösen und zu analysieren, sagte Schneider gegenüber Live Science. (Zu zeigen, dass die Navier-Stokes-Gleichungen an jedem Punkt sogar eine reibungslose Lösung für eine 3D-Flüssigkeit haben, ist eines der Probleme des Millennium-Preises in Höhe von 1 Million US-Dollar.) Bis zu diesem Zeitpunkt wusste niemand, wie die Gleichungen dieses musterbildende Verhalten vorhersagten. Schneider und sein Team verwendeten eine Kombination von Methoden, einschließlich Computersimulationen und theoretischen Berechnungen, um eine Reihe von "ganz besonderen Lösungen" für diese Gleichungen zu finden, die jeden Schritt des Übergangs vom Chaos zur Ordnung mathematisch beschreiben.
Mit anderen Worten, sie zerlegten das chaotische Verhalten in seine nicht chaotischen Bausteine und fanden Lösungen für jeden kleinen Teil. "Das Verhalten, das wir beobachten, ist keine mysteriöse Physik", sagte Schneider. "Es ist irgendwie in Standardgleichungen versteckt, die den Flüssigkeitsfluss beschreiben."
Dieses Muster ist wichtig zu verstehen, da es zeigt, wie die turbulente und die ruhige, auch als "laminare Strömung" bekannte, miteinander konkurrieren, um ihren Endzustand zu bestimmen, so eine Aussage. Wenn dieses Muster auftritt, sind die turbulenten und laminaren Strömungen gleich stark - ohne dass eine Seite das Tauziehen gewinnt.
Dieses Muster ist jedoch in natürlichen Systemen wie Turbulenzen in der Luft nicht wirklich zu sehen. Schneider merkt an, dass ein solches Muster für das Flugzeug tatsächlich "ziemlich schlecht" wäre, da es durch ein Gerüst aus holprigen turbulenten und nicht turbulenten Linien fliegen müsste.
Das Hauptziel dieses Experiments sei vielmehr, die grundlegende Physik von Flüssigkeiten in einer kontrollierten Umgebung zu verstehen, sagte er. Nur wenn wir die sehr einfachen Bewegungen von Flüssigkeiten verstehen, können wir beginnen, die komplexeren Turbulenzsysteme zu verstehen, die überall um uns herum existieren, vom Luftstrom um Flugzeuge bis zum Inneren von Pipelines, fügte er hinzu.
Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse am 23. Mai in der Zeitschrift Nature Communications.
