Unraveling Turbulence:New Insights from Vortex Physics

Έχοντας λύσει ένα κεντρικό μυστήριο σχετικά με τη «στροβιλότητα» των ανεμοστρόβιλων και άλλων τύπων δίνων, ο William Irvine έχει βάλει στο στόχαστρο τις αναταράξεις, τη λευκή φάλαινα της κλασικής φυσικής.

Εισαγωγή

Ήρθε η ώρα να ταΐσετε τη σταγόνα. Βράζει και αδηφάγο, απορροφά οκτώ βοηθήματα σε μέγεθος πιάτου κάθε λίγα δευτερόλεπτα.

Η σταγόνα είναι ένα σύννεφο αναταράξεων σε μια μεγάλη δεξαμενή νερού στο εργαστήριο του φυσικού William Irvine από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο. Σε αντίθεση με κάθε άλλη περίπτωση αναταράξεων που έχει παρατηρηθεί ποτέ στη Γη, η σταγόνα του Ίρβιν δεν είναι ένα ακατάστατο κομμάτι σε ένα ρέον ρεύμα υγρού, αερίου ή πλάσματος ή πάνω σε έναν τοίχο. Μάλλον, η σταγόνα είναι αυτόνομη, μια στρογγυλεμένη σφαίρα που αφήνει το νερό γύρω της ως επί το πλείστον ακίνητο. Για να το δημιουργήσουν και να το διατηρήσουν, ο Irvine και ο μεταπτυχιακός φοιτητής του Takumi Matsuzawa πρέπει να πυροβολούν επανειλημμένα «βρόχους vortex» - ουσιαστικά την υδάτινη εκδοχή των δακτυλίων καπνού - σε αυτό, οκτώ βρόχους τη φορά. «Χτίζουμε αναταράξεις δακτύλιο με δακτύλιο», είπε ο Ματσουζάβα.

Ο Irvine και ο Matsuzawa ελέγχουν στενά τους βρόχους που είναι οι δομικοί λίθοι της σταγόνας και μελετούν από κοντά και κατά μήκος τις προκύπτουσες περιορισμένες αναταράξεις. Η σταγόνα θα μπορούσε να δώσει πληροφορίες για τις αναταράξεις που οι φυσικοί κυνηγούσαν εδώ και δύο αιώνες - σε μια αναζήτηση που οδήγησε τον Richard Feynman να αποκαλέσει τις αναταράξεις το πιο σημαντικό άλυτο πρόβλημα στην κλασική φυσική. (Οι κβαντικές αναταράξεις έχουν γίνει επίσης ένα σημαντικό πρόβλημα.) Η απελευθέρωση των αναταράξεων μπορεί επίσης να αποδειχθεί εξαιρετικά επιδραστική, δεδομένου ότι παίζει τεράστιο ρόλο στα αστέρια, την αεροπορία, την πυρηνική σύντηξη, τον καιρό, τις αλλαγές στον πυρήνα της Γης, τις ανεμογεννήτριες και ακόμη και την ανθρώπινη υγεία — η αρτηριακή ροή μπορεί να γίνει επικίνδυνα τυρβώδης.

Εάν η σταγόνα όντως αποφέρει μεγάλες προόδους στην αναταραχή, θα προσθέσει στην αυξανόμενη σειρά εκπληκτικών και επιδραστικών ανακαλύψεων που έχουν δημιουργήσει ο Irvine και οι μαθητές του στη φυσική αυτού που θα μπορούσε να ονομαστεί χαλαρά περιστρεφόμενο υλικό - συστήματα που αποτελούνται από στροβιλιζόμενα αντικείμενα, ρευστά και ακόμη και πεδία.

Ιδιαίτερα ενδιαφέρον μεταξύ των ευρημάτων του Irvine ήταν η συμβολή του εργαστηρίου στη δυναμική των ρευστών, μια περιοχή που ήταν διαβόητη για την οδυνηρά αργή πρόοδο, εν μέρει λόγω της δυσκολίας συλλογής καλών δεδομένων. Η πιο σημαντική ανακάλυψη περιλαμβάνει την απόδειξη ενός θεμελιώδους νέου νόμου που διέπει τους σωλήνες ρευμάτων που μοιάζουν με ανεμοστρόβιλους γνωστούς ως δίνες. Ο νόμος φωτίζει πώς αυτά τα θεμελιώδη φαινόμενα σχηματίζονται, αλληλεπιδρούν, εξελίσσονται και φθείρονται. «Η επιστήμη συχνά περιλαμβάνει την εύρεση ενός τρόπου για να τροποποιήσουμε ή να καλύψουμε ένα μικρό κενό σε αυτό που έχει γίνει», δήλωσε ο Daniel Lathrop, φυσικός από το Πανεπιστήμιο του Maryland που ειδικεύεται στη μη γραμμική δυναμική και είναι εξοικειωμένος με το έργο του Irvine. "Ο Γουίλιαμ ρωτά τι μπορεί να κάνει που είναι εντελώς διαφορετικό από αυτό που έχει γίνει. Είναι το είδος της δουλειάς που μπορεί να ανοίξει νέα πεδία."

Αλλά τώρα που η δεξιοτεχνία του στις δίνες τον οδήγησε στη σταγόνα, ο Irvine αισθάνεται ακόμα μεγαλύτερο - και πιο επικίνδυνο - θήραμα στο νερό. «Λόγω της απουσίας καλών δεδομένων και θεωρίας, η αναταραχή θεωρείται το μέρος όπου οι καριέρες πεθαίνουν», είπε ο Irvine. "Βρίσκω τον εαυτό μου να ασχολείται όλο και περισσότερο με αυτό."

Μια νέα ανατροπή

Μέχρι το 2006, σε ηλικία 26 ετών, ο Ιταλικής καταγωγής Irvine είχε ήδη περάσει από δύο ξεχωριστά διδακτορικά στην κβαντική οπτική, το ένα στην πειραματική φυσική στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και το άλλο στο πείραμα και τη θεωρία στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα. Στη συνέχεια αποφάσισε ότι είχε χορτάσει να κάνει μικρές προόδους σε εσωτερικούς τομείς της φυσικής και ετοιμάστηκε να ξεκινήσει μεταδιδακτορικό στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον στον πιο ανοιχτό τομέα της νευροεπιστήμης. Αλλά τότε ένας φίλος έτυχε να αναφέρει τη δουλειά που έκανε ο φυσικός Paul Chaikin του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης με την «μαλακή ύλη», όπως αφρούς, κολλοειδή, πηκτώματα, υγρούς κρυστάλλους και άλλους λιγότερο τυπικούς τύπους μη στερεάς ύλης.

Ο Chaikin και άλλοι στον εκκολαπτόμενο τομέα έπαιρναν υλικά για να επιδείξουν ιδιότητες που δεν είχαν δει ποτέ πριν, όπως αυτοαντιγραφή και αυτοσυναρμολόγηση - και σε αντίθεση με τους συμβατικούς φυσικούς της συμπυκνωμένης ύλης, δούλευαν με τα υλικά τους σε θερμοκρασία δωματίου σε ποτήρια ζέσεως ακριβώς μπροστά στα μάτια τους, αντί σε ψυγεία κοντά στο απόλυτο μηδέν. Ακόμη πιο σημαντικό, από τη σκοπιά του Irvine, έκαναν μεγάλα άλματα σε ανεξερεύνητη ως επί το πλείστον περιοχή. «Είναι ένα πεδίο όπου οι άνθρωποι μπορούν ακόμα να κάνουν θεμελιώδεις ανακαλύψεις», είπε. "Είναι εκεί που δημιουργείς πειράματα όχι για να επιβεβαιώσεις την απάντηση, αλλά επειδή κανείς δεν ξέρει ποια είναι η απάντηση."

Ο Irvine πήδηξε στο εργαστήριο του Chaikin ως μεταδιδάκτορας, δουλεύοντας σε κολλοειδή ή σωματίδια αιωρούμενα σε υγρό. Αλλά μια μέρα, κατά τη διάρκεια μιας βόλτας στο κέντρο του Μανχάταν, ο Irvine παρατήρησε κάποιον να φυσάει κρίκους καπνού και αμέσως επέστρεψε στο εργαστήριο για να προσπαθήσει να φτιάξει ένα μηχάνημα που θα μπορούσε να παράγει πιο περίπλοκες δομές από τον καπνό. Δεν πήγε μακριά και άφησε το έργο στην άκρη. Αλλά δεν ξέχασε αυτούς τους δακτυλίους, και όταν μπήκε στη σχολή του Πανεπιστημίου του Σικάγο, άρχισε να εργάζεται σε βρόχους δίνης στο νερό, απτόητος - πράγματι, ενεργοποιημένος - μη γνωρίζοντας τίποτα για το θέμα. «Ποτέ δεν είχα καν παρακολουθήσει μαθήματα μηχανικής ρευστών», παραδέχτηκε. "Το έμαθα εδώ όταν έπρεπε να το διδάξω."

Αυτό που έμαθε ήταν ότι μια δίνη είναι βασικά ένα σωληνίσκο ρεύμα συστροφής σε αέριο, υγρό ή άλλο μέσο, ενώ ο ανεμοστρόβιλος είναι το πιο γνωστό παράδειγμα. Οι δίνες μπορεί να είναι αξιοσημείωτα σταθερές, και όμως είναι επίσης εκπληκτικά μεταβλητές. Όπως σε ένα δακτύλιο καπνού, τα άκρα τους μπορούν να συνδεθούν για να σχηματίσουν έναν βρόχο και πολλαπλοί βρόχοι δίνης μπορούν να συνδεθούν, να συγχωνευθούν και ακόμη και να συνδεθούν με κόμπους. (Τα δελφίνια μπορούν να ξεπεράσουν τους καπνιστές από αυτή την άποψη, φυσώντας βρόχους δίνης προφανώς μόνο για διασκέδαση.)

Ένας λόγος που οι φυσικοί θέλουν να μάθουν περισσότερα για τις ιδιότητες των δινών είναι ότι οι δίνες εμφανίζονται συνήθως σε όλα τα είδη σωματιδιακών πεδίων, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Ένα απλό παράδειγμα:Ένα ρεύμα που διέρχεται μέσα από ένα σύρμα δημιουργεί μια δίνη μαγνητικού πεδίου γύρω από το σύρμα - ένα είδος ανεμοστρόβιλου μαγνητισμού που θα έκανε ένα υποθετικό μαγνητικό σωματίδιο κοντά στο σύρμα να κυκλώσει το σύρμα, ακριβώς όπως ένας μικροσκοπικός όγκος νερού θα μεταφερόταν γύρω από μια δίνη. (Το μαγνητικό σωματίδιο είναι υποθετικό, επειδή τέτοια «μονόπολα» δεν φαίνεται να υπάρχουν στη φύση.)

Μια από τις πρώτες ανακαλύψεις του Irvine, με τον τότε μεταπτυχιακό φοιτητή Hridesh Kedia, ήταν να δείξει πώς τα ελαφριά πεδία μπορούν να δεθούν σε κόμπους. Όμως ο Irvine ενδιαφερόταν ιδιαίτερα για το νερό. Η δημιουργία μιας δίνης που μοιάζει με ανεμοστρόβιλο στο νερό είναι εύκολη — ο καθένας μπορεί να το κάνει με ένα μπουκάλι σόδας. Αλλά πώς να φτιάξετε βρόχους και πιο σύνθετα σχήματα και συνδυασμούς δίνων, συμπεριλαμβανομένων των κόμβων; Κάτι τέτοιο θα ήταν κρίσιμο για τη διευθέτηση μακροχρόνιων ερωτημάτων σχετικά με μια θεμελιώδη ιδιότητα των δίνων που ονομάζεται ελικότητα. Η ελικότητα της δίνης έχει οριστεί από καιρό ως ο συνολικός αριθμός συνδέσμων και κόμβων σε μια δίνη ή σε μια συνδεδεμένη ομάδα δίνων. Οι σύνδεσμοι και οι κόμβοι είναι τοπολογικά χαρακτηριστικά, καθώς δεν αλλάζουν όταν οι δίνες τεντώνονται, συμπιέζονται ή παραμορφώνονται με άλλο τρόπο.

Εδώ και μισό αιώνα είναι γνωστό ότι η ελικότητα του στροβίλου διατηρείται σε ένα ιδανικό ρευστό - βασικά, ένα ρευστό που δεν έχει ιξώδες, που σημαίνει ότι δεν προσφέρει αντίσταση σε ένα αντικείμενο που το σπρώχνει. Εάν υπήρχε ένα τέτοιο ρευστό, τότε ανεξάρτητα από τις αλλαγές που πέρασε μια δίνη ή μια ομάδα συνδεδεμένων στροβίλων στο ρευστό, ο αριθμός των συνδέσμων και των κόμβων θα αθροιζόταν στον ίδιο αριθμό.

Το ερώτημα εάν κάποια μορφή αυτού του νόμου θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε ρευστά και αέρια του πραγματικού κόσμου παρέμεινε πεισματικά ανθεκτικό σε όλες τις αναλύσεις και τα πειράματα. Ωστόσο, ένας τέτοιος νόμος διατήρησης θα ήταν εξαιρετικά χρήσιμος για τους μετεωρολόγους και άλλους που ασχολούνται με τις δίνες — το ίδιο ευρύ φάσμα ερευνητών που ασχολούνται με τις αναταράξεις.

Η αναζήτηση για διορατικότητα σχετικά με τη διατήρηση της ελίκωσης συνδέθηκε με ένα άλλο θεμελιώδες ερώτημα:Πού πηγαίνει η «στρέψη» στις δίνες όταν τελικά αποσυντίθενται, όπως συμβαίνει πάντα; Η περιστροφική ενέργεια και η ορμή πρέπει να διατηρηθούν, αλλά δεν ήταν ξεκάθαρο πώς η μακροπεριστροφή μιας δίνης μεταφέρεται σε όλο και μικρότερες κλίμακες, διαχέοντας τελικά σε μοριακό επίπεδο. Η κατανόηση αυτού του μηχανισμού πιθανότατα θα έριχνε φως στη διατήρηση της ελικοειδούς και αντίστροφα.

Για να καταλήξει σε μια πειραματική πλατφόρμα που θα μπορούσε να δώσει κάποιες απαντήσεις, ο Irvine βασίστηκε σε ένα από τα χόμπι του. Έχει μια εξαιρετικά πλούσια φλέβα:Μιλάει τέσσερις γλώσσες, παίζει ένα κακό τσέλο (και έχει σπουδάσει άλλα τρία όργανα), είναι μέτρια καταξιωμένος ορειβάτης, ιστιοπλοΐα και είναι εμπορικά αξιολογημένος πιλότος αεροπλάνου που κάνει ακροβατικά για διασκέδαση. ("Αν κάνεις κάτι πολύ καλό στην επιστήμη", εξήγησε, "είναι πιθανώς επειδή πρόσεχες να αφιερώσεις χρόνο για να παίξεις.") Αυτή η τελευταία ενασχόληση ήταν που τον ώθησε να βρει μια ιδέα για την παραγωγή υδάτινων δίνων. Οι πιλότοι γνωρίζουν καλά ότι οι άγριες δίνες σχηματίζονται στα άκρα των φτερών των επιταχυνόμενων αεροπλάνων και χωρίζονται από εκεί. Γιατί να μην προσπαθήσετε να τα φτιάξετε σε νερό με σχήμα φτερού ή υδροπτέρυγα;

Επιστρατεύοντας έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή ικανό να παράγει ένα νέο υδροπτέρυγο αυθαίρετου σχήματος σε οκτώ ώρες, ο Irvine δοκίμασε εκατοντάδες σχήματα με τον μεταδιδακτορικό του τότε, Dustin Kleckner, και αργότερα με τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του Martin Scheeler και Robert Morton. Για να βρουν έναν τρόπο να επιταχύνουν τα υδροπτέρυγα με 100 φορές τη δύναμη της βαρύτητας, οι ερευνητές εξερεύνησαν τα πάντα, από εκρηκτικά μέχρι όπλα, προσγειώνοντας τελικά αυτό που ο Irvine αποκαλεί «όπλο πατάτας» - ένα ισχυρό έμβολο που κινείται από συμπιεσμένο αέριο. Για να φιλοξενήσει αυτό και άλλα εργαλεία που έμοιαζαν με Wile E. Coyote, μαζί με μια γιγάντια δεξαμενή νερού, ο Irvine είχε καταλάβει έναν μεγάλο χώρο τρεις ορόφους κάτω από τη γη σε ένα εργαστήριο, γκρεμίζοντας μια οροφή 14 ποδιών και όλο το εσωτερικό του κτιρίου πάνω από αυτό για να αποκτήσει έναν χώρο ύψους 30 ποδιών στον οποίο μπορούσε να χωρέσει ένα μικρό cra.

Τελικά τα υδροπτέρυγα άρχισαν να παράγουν προσεγμένους δακτυλίους με πλάτος περίπου ένα πόδι. Δημιούργησαν ακόμη και συνδεδεμένους δακτυλίους και στρόβιλους με κόμπους. Ο Kleckner και ο Scheeler περιέβαλαν τη δεξαμενή νερού με τομογραφία σάρωσης λέιζερ υψηλής ταχύτητας και βιντεοκάμερες. Μικροσκοπικές φυσαλίδες αερίου και σωματίδια ιχνηθέτη εκτοξεύτηκαν στη δεξαμενή ώστε να μπορούν να παγιδευτούν στα στροβιλιζόμενα ρεύματα, επιτρέποντας στους ερευνητές να δουν και να μετρήσουν προσεκτικά την εξέλιξη των δίνων. Έπειτα είχαν ένα τυχερό διάλειμμα:Έγραψαν στα υδροπτέρυγα με ένα Sharpie για να τα αναγνωρίσουν, αλλά το μελάνι μπήκε στο νερό και πιάστηκε στις δίνες, όπου φθοριζόταν στο φως του λέιζερ και πρόσφερε μια εικόνα ακόμα πιο καθαρή από αυτές που έδιναν οι φυσαλίδες. Σχεδιάζοντας σκόπιμα παύλες από μελάνι Sharpie — και αργότερα το δικό τους ειδικά σχεδιασμένο μελάνι — στις σωστές θέσεις στα υδροπτέρυγα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να επισημάνουν τυχόν τμήματα ή χαρακτηριστικά των στροβιλισμών που προέκυψαν, όπως η κεντρική γραμμή μιας δίνης, η οποία διαφορετικά ήταν δύσκολο να αναγνωριστεί.

Μέχρι το 2017, η προσπάθεια να δημιουργηθεί ένα πειραματικό υποβρύχιο τσίρκο δίνης είχε αποδώσει με απόδειξη του τι συμβαίνει με την ελικοειδή στον πραγματικό κόσμο. Όπως αποδεικνύεται, οι δίνες του πραγματικού κόσμου δεν συμπεριφέρονται σαν ιδανικά ρευστά:Ο αριθμός των συνδέσμων και των κόμβων στις δίνες δεν διατηρείται πάντα καθώς εξελίσσονται οι δίνες. Αλλά ο Irvine έριξε δύο νέους παράγοντες στο μείγμα:το "writhing" και το "twisting". Φανταστείτε ένα ευθύ μήκος σωλήνα, που αντιπροσωπεύει το μήκος μιας ευθείας δίνης σαν ανεμοστρόβιλος. Η συρρίκνωση αντανακλά τον εύκαμπτο σωλήνα που παίρνει ένα στριμωγμένο σχήμα, όπως αυτό ενός Slinky, ή σε μια πιο ακραία περίπτωση γίνεται κουλουριασμένος. Το στρίψιμο σημαίνει ότι τα άκρα του εύκαμπτου σωλήνα συστρέφονται προς αντίθετες κατευθύνσεις, ακόμη και όταν ο εύκαμπτος σωλήνας παραμένει ίσιος. Η συστροφή και η συστροφή δεν είναι τοπολογικά χαρακτηριστικά, αυστηρά μιλώντας, αλλά είναι "γεωμετρικά" χαρακτηριστικά, η ουσιαστική διαφορά είναι ότι τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά μπορούν να περιοριστούν σε ένα συγκεκριμένο τμήμα μιας οντότητας, ενώ τα τοπολογικά χαρακτηριστικά είναι καθολικές ιδιότητες.

Samuel Velasco/Quanta Magazine;
πηγή: doi:10.1126/science.aam6897 / Irvine Lab

Άλλοι ερευνητές είχαν προηγουμένως προτείνει ότι η συμπερίληψη αυτών των γεωμετρικών χαρακτηριστικών μαζί με τους συνδέσμους και τους κόμβους θα μπορούσε να παρέχει ένα πιο γενικό μέτρο της πολυπλοκότητας και της «συστροφής» μιας δίνης - κάτι που θα μπορούσε ακόμη και να οδηγήσει σε έναν νέο νόμο διατήρησης. Ο Irvine καθόρισε αυτόν τον νέο νόμο και το απέδειξε. Έδειξε ότι οι κόμβοι, οι σύνδεσμοι και το στρέβλωση - αγνοώντας τη συστροφή - δεν χάνουν τη συνδυασμένη τους ελικότητα λόγω του ιξώδους. Αλλά η συστροφή μπορεί να μετατραπεί σε συστροφή — ακριβώς όπως ένας τυλιγμένος σωλήνας μπορεί να τραβηχτεί ευθεία, προκαλώντας εκτεταμένη συστροφή στον εύκαμπτο σωλήνα. Επιπλέον, η δίνη μπορεί να ξεδιπλωθεί, περιστρέφοντας το παχύρρευστο μέσο γύρω της καθώς το κάνει. Με αυτόν τον τρόπο, η δίνη χάνει ουσιαστικά τη συστροφή της - και την ελικότητά της μαζί με αυτήν - στο περιβάλλον μέσο. "Λόγω της γεωμετρίας, στην πραγματικότητα εξελίσσεται αρκετά ομαλά", είπε ο Irvine.

Το έργο, που δημοσιεύτηκε το 2017 στο Science , όχι μόνο πρόσφερε μια πληρέστερη καταγραφή του τρόπου με τον οποίο εξελίσσεται η ελίκωση στον πραγματικό κόσμο, αλλά πρότεινε πώς η δίνη χάνει την ενέργεια και την ορμή που σχετίζεται με το σπιν στο περιβάλλον. «Πρέπει πραγματικά να θαυμάσεις το στυλ του Γουίλιαμ ως πειραματιστή», είπε ο Λάθροπ. "Το να δημιουργείς μια τέτοια νέα διάταξη και να το δουλεύεις για να λαμβάνεις απαντήσεις είναι εντυπωσιακό."

Ένα επίμονο χάος

Σε μια σειρά από συνεντεύξεις του Zoom, ο Irvine, 40 ετών τώρα, παρουσιάζεται ως φιλικός και επιθετικός. Αλλά είναι επίσης συλλογισμένος και έντονο, μια εντύπωση που ενισχύεται από την άγρια ​​σταγόνα των ταραγμένων μαλλιών του. Οι μεταπτυχιακοί φοιτητές του τον επαινούν ελεύθερα ως επιστήμονα και μέντορα. «Έχει περίεργες ιδέες που αρχικά δεν φαίνεται να έχουν νόημα, αλλά πάντα καταλήγω να μαθαίνω από αυτές», είπε ο Ephraim Bililign, ένας τρέχων μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο. Ως παράδειγμα, προσφέρει την πρόταση του Irvine να προσπαθήσει να πείσει νέες συμπεριφορές από φιλμ σαπουνιού - ένα έργο που αποδείχθηκε ανεφάρμοστο, αλλά που οδήγησε άμεσα στην τρέχουσα δουλειά του Bililign με περιστρεφόμενους μικροσκοπικούς μαγνητικούς κύβους σε μια ανάρτηση μεμβράνης σαπουνιού, που παρουσιάζουν μια ποικιλία παράξενων ιδιοτήτων.

Την ίδια στιγμή, οι μαθητές του Irvine σημειώνουν ότι παραμένει βαθιά ιδιωτικός, σχεδόν σε σημείο να είναι μυστηριώδης. Έμειναν έκπληκτοι όταν ανακάλυψαν πρόσφατα ότι ήταν από καιρό πιλότος.

Τα εκκεντρικά, αυτοσχεδιαστικά ζιγκ-ζαγκ στην αρχή της καριέρας του, μαζί με μια σειρά από προκλητικά χόμπι, υποδηλώνουν ότι ο Irvine αναζητά συνεχώς το κατάλληλο ταίρι για τις σημαντικές του ικανότητες. Ο Chaikin είπε ότι καταλαβαίνει γιατί ο Irvine πιέζει τον εαυτό του τόσο σκληρά. «Ο Γουίλιαμ είναι ο καλύτερος μεταδιδάκτορας που είχα ποτέ», είπε. "Ασυνήθιστα, είναι τόσο εύκολος στο να κάνει τη θεωρία για να καταλάβει τι πειράματα πρέπει να γίνουν όσο και όταν κάνει τα πειράματα. Μπορεί να ανοίξει τα πράγματα σε διαφορετικά πεδία."

Τα ευρύτατα ενδιαφέροντα του Irvine αντικατοπτρίζονται στη σειρά έργων που γίνονται στο εργαστήριό του αυτές τις μέρες. Εκτός από την εργασία του vortex, αυτός και οι μαθητές του ήταν απασχολημένοι με την εξερεύνηση της «τοπολογικής μηχανικής», η οποία περιλαμβάνει την εξεύρεση παράξενων, κβαντικών ιδιοτήτων σε συστήματα που αποτελούνται από μεγάλο αριθμό πανομοιότυπων περιστρεφόμενων αντικειμένων. Για παράδειγμα, αυτός και οι μαθητές του έχουν κατασκευάσει συστοιχίες γυροσκόπιων που μεταφέρουν ηχητικά κύματα συγκεκριμένων συχνοτήτων μόνο στις άκρες τους και μόνο προς μία κατεύθυνση, όπως οι κβαντομηχανικές συσκευές «τοπολογικού μονωτή» μεταφέρουν ηλεκτρικά ρεύματα μόνο στις άκρες τους. (Μια πολύ, πολύ πρόχειρη εξήγηση:Η περιστροφή των σωματιδίων τείνει να κατευθύνει τους κραδασμούς που σχηματίζουν τα ηχητικά κύματα προς τα έξω και γύρω προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.) Το εργαστήριο έχει επίσης αναπτύξει διάφορα μείγματα μαγνητικών σωματιδίων και ρευστών που έχουν "περίεργο ιξώδες" - ένα είδος ιξώδους χωρίς τριβή που επιτρέπει στα κύματα της επιφάνειας να ταξιδεύουν σε όλη την επιφάνεια.

Επειδή αυτά τα υλικά είναι πολύ πιο απλά, καλύτερα κατανοητά και πιο εύκολο να δημιουργηθούν και να πειραματιστούν από τις κβαντομηχανικές συσκευές των οποίων τις συμπεριφορές μιμούνται, ο Irvine πιστεύει ότι μπορεί μια μέρα να βοηθήσουν να φωτιστεί η κβαντομηχανική πλευρά των πραγμάτων. «Οι κβαντομηχανικές εκδόσεις είναι ακατάστατες και περίπλοκες», είπε. "Θέλω να μάθω ποιο είναι το ελάχιστο που χρειάζεστε για να αποκτήσετε αυτές τις συμπεριφορές. Βασίζει ουσιαστικά τη φυσική."

Η ηγεσία ενός μεγάλου εργαστηρίου δεν εμπόδισε τον Irvine να εκτελέσει τα δικά του μικρά, ιδιωτικά πειράματα. Σε ένα μικροσκοπικό δωμάτιο με την ένδειξη «αποθήκευση» έξω από το κύριο εργαστήριο, διατηρεί ένα αυτόνομο μικρο-εργαστήριο που αποτελείται από μερικές εκατοντάδες κορυφές σκορπισμένες σε έναν πίνακα που είναι απλωμένος στο πάτωμα. «Λειτουργούν σαν υγρό», είπε. "Είναι η πηγή πολλών καλών ιδεών για μένα. Στο τέλος της ημέρας, όλα είναι πράγματα που περιστρέφονται." Όταν το εργαστήριο έκλεισε προσωρινά λόγω της πανδημίας, ο Irvine έφερε τα μπλουζάκια στο σπίτι για να πειραματιστεί στο σαλόνι του.

Αλλά είναι οι αναταράξεις που προσελκύουν πολύ την προσοχή στο εργαστήριο του Irvine αυτές τις μέρες. Έχοντας δημιουργήσει την τέλεια παιδική χαρά για να δημιουργήσουν, να συνδυάσουν και να μετρήσουν δίνες και την ελικότητά τους, ο Irvine και ο Matsuzawa πριν από τέσσερα χρόνια άρχισαν να εξερευνούν νέες παραλλαγές στο θέμα. Πυροβόλησαν διαφορετικούς αριθμούς βρόχων στροβιλισμού στη δεξαμενή, σε διαφορετικές συχνότητες, με αποτέλεσμα συχνά να συνδυάζονται με ενδιαφέροντες τρόπους. Μερικές φορές δημιουργούσαν κομμάτια αναταράξεων, αλλά αυτά έτειναν να ξαναπετάξουν γρήγορα. Αλλά όταν δοκίμασαν ένα υδροπτέρυγο σε σχήμα κύβου που παρήγαγε οκτώ δακτυλίους που συγκλίνουν σε ένα μόνο σημείο, οι αναταράξεις που προέκυψαν φάνηκε να επιμένουν για μερικές στιγμές. Έτσι, προσπάθησαν να τραβήξουν γρήγορα οκτώ κρίκους και ακολούθησαν άλλα οκτώ δαχτυλίδια:Οι αναταράξεις παρέμειναν ακόμη περισσότερο. Τελικά ανακάλυψαν ότι το ταραχώδες έμπλαστρο παρέμεινε όσο το μπαράζ συνέχιζε να έρχεται. Η σταγόνα γεννήθηκε.

Οι αναταράξεις ήταν πάντα πολύ περίπλοκες για να αναλυθούν ή ακόμα και να μετρηθούν με ακρίβεια. Ο Matsuzawa το αποκαλεί «σούπα στροβιλισμού» - παίρνει όλες τις πολυπλοκότητες των μεμονωμένων στροβιλισμών και στη συνέχεια τις πολτοποιεί σε ένα μπερδεμένο, ανατριχιαστικό χάος από δίνες και στροβιλισμούς χωρίς διακριτά όρια, που εκτείνονται από το τεράστιο μέχρι το υπομικροσκοπικό, όλα συνεχώς ξεπηδούν, εξαφανίζονται άγρια ​​στιγμή, χάνονται και χάνονται στιγμή. Ο Lathrop σημειώνει ότι οι φυσικοί δεν μπορούν καν να συμφωνήσουν σε έναν σαφή ορισμό των αναταράξεων ή εάν οι αναταράξεις που παρατηρούνται, ας πούμε, σε έναν σωλήνα είναι το ίδιο φαινόμενο με τις αναταράξεις που παρατηρούνται στα άκρα των φτερών του αεροσκάφους. «Δεν είμαστε σίγουροι τι είναι αναταράξεις», είπε. "Είναι εκπληκτικό που βρισκόμαστε ακόμα σε αυτό το σημείο, δεδομένης της προόδου που έχουμε σημειώσει σε κάθε άλλο τομέα της φυσικής."

Ένα πράγμα είναι ξεκάθαρο:Ο στροβιλισμός είναι χαοτικός - που σημαίνει ότι η συμπεριφορά του είναι υπερευαίσθητη σε οποιαδήποτε αλλαγή, συμπεριλαμβανομένης της ταχύτητας, του όγκου και της κατεύθυνσης της ροής, των σχημάτων των επιφανειών γύρω του και πολλά άλλα. Το αποτέλεσμα είναι ότι ακόμη και μια απειροελάχιστη ανακρίβεια σε οποιαδήποτε μέτρηση του στροβιλισμού είναι αρκετή για να απορρίψει οποιαδήποτε ανάλυση για το πώς μπορεί να εξελιχθεί. Όχι ότι αυτό είχε μεγάλη σημασία, γιατί δεν υπήρξε ένας καλός τρόπος για να ληφθούν άλλες παρά μόνο οι πιο ακατέργαστες μετρήσεις των πολλών ταχέως μεταβαλλόμενων στροβιλισμών και δίνων σε αναταράξεις που εκδηλώνονται σε κλίμακες που διαφέρουν έως και 10.000. Οι ερευνητές έχουν γενικά συμβιβαστεί με την επανειλημμένη μέτρηση της ταχύτητας ροής σε πολλά σημεία του στροβιλισμού. Για να δημιουργήσουν αναταράξεις στο εργαστήριο, έπρεπε να περάσουν νερό ή αέρα μέσα από ένα πλέγμα ή άλλο ημιεμπόδιο για να διαταράξουν την ομαλή ροή - πράγμα που σήμαινε ότι τα αποτελέσματα ήταν στην πραγματικότητα ένας συνδυασμός ταραχώδους και μη τυρβώδους δραστηριότητας που ήταν δύσκολο να διαχωριστεί. "Τους δίνω τα εύσημα που ανακάλυψαν οτιδήποτε σχετικά με τις αναταράξεις με αυτά τα εργαλεία", είπε ο Irvine.

Μια αυτόνομη, επίμονη μάζα αναταράξεων που κατασκευάζεται από καλά χαρακτηρισμένες δίνες προσφέρει έναν νέο κόσμο δυνατοτήτων για μέτρηση και ανάλυση. Είναι μια απλούστερη, πιο σταθερή μορφή αναταράξεων, που δεν αλλοιώνεται από τις περιβάλλοντες ροές, τις επιφάνειες και τα αντικείμενα - το παιχνίδι ενός ερευνητή αναταράξεων, που ποζάρει για όλη την απεικόνιση υψηλής ιπποδύναμης που φροντίζουν να κάνουν οι Irvine και Matsuzawa. Μπορούν να παρακολουθήσουν και να μετρήσουν αυστηρά καθώς οι βρόχοι της δίνης συγχωνεύονται και εξελίσσονται σε αναταράξεις, να αναλύσουν τη σταθερή τους κατάσταση, να την υποβάλουν σε διάφορες δυνάμεις και τροποποιήσεις για να δουν πώς ανταποκρίνεται και στη συνέχεια να σταματήσουν να την τροφοδοτούν και να μελετήσουν την αποσύνθεσή της.

Αλλά από όλες τις ιδέες που ο Irvine ελπίζει να αποσπάσει από αυτήν την πλούσια πλατφόρμα παρατήρησης, ο πρωταρχικός του στόχος είναι ένας οικείος. «Οι αναταράξεις είναι το πιο δύσκολο τεστ διατήρησης της ελικοειδούς», είπε. "Αλλά επειδή χτίζουμε τον στροβιλισμό μια δίνη κάθε φορά, ξέρουμε πόση ελικότητα βάζουμε σε αυτήν. Στη συνέχεια, μπορούμε να εξαφανίσουμε την ελικότητα για να δούμε τι θα συμβεί σε αυτήν."

Όσο πρόθυμος κι αν είναι να σημειώσει πρόοδο με το blob, ο Irvine είπε ότι αυτός και ο Matsuzawa απέχουν πιθανώς τουλάχιστον ένα χρόνο από μια δημοσιευμένη εργασία, αν και ο Irvine έχει αρχίσει να το συζητά σε συνέδρια.

Προς το παρόν, τουλάχιστον, η σταγόνα φαίνεται πολύ άνετη εκεί που βρίσκεται.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε στο Spektrum.de.