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    L'ordre du chaos :les études australiennes sur les vortex sont la première preuve d'une théorie vieille de 70 ans de la turbulence dans les fluides

    La grande tache rouge de Jupiter. Crédit :NASA

    Deux études australiennes publiées cette semaine offrent la première preuve d'une théorie de la turbulence vieille de 70 ans.

    "Les études confirment une théorie séminale de la formation de tourbillons à grande échelle à partir de la turbulence dans un écoulement de fluide 2-D, où les grands tourbillons émergent d'un chaos apparent de plus petits tourbillons, " dit l'auteur, le professeur Matt Davis, FLEET's lead sur le papier de l'Université du Queensland.

    Les fluides restreints à l'écoulement en deux dimensions peuvent être observés dans des systèmes allant des électrons aux semi-conducteurs, à la surface des bulles de savon, aux phénomènes atmosphériques tels que les cyclones.

    "L'une des caractéristiques couramment observées dans un tel écoulement 2-D est la formation d'un mouvement tourbillonnant à grande échelle du fluide à partir du mouvement tourbillonnant initialement chaotique typique d'un écoulement turbulent, comme la célèbre grande tache rouge de Jupiter, " déclare l'auteur principal de l'étude Monash, Shaun Johnstone.

    Turbulence, avec son mouvement apparemment aléatoire et chaotique du fluide, est un problème notoirement difficile, pour laquelle il n'existe pas de description théorique générale. (En réalité, le Clay Mathematics Institute offre un prix d'un million de dollars à quiconque propose une théorie de la turbulence.)

    Il y a, cependant, une théorie simple, proposé en 1949 par le prix Nobel Lars Onsager, pour expliquer la formation d'un mouvement de vortex à grande échelle à partir d'un écoulement 2D initialement turbulent.

    Malgré l'attrait de l'image physique d'Onsager de la turbulence 2D, il ne peut faire des prédictions quantitatives que pour un type particulier de fluide :un « superfluide, " qui coule sans aucune viscosité ni traînée, et qui ne peut être réalisé qu'à des températures extrêmement basses. Cela avait rendu difficile un test de la théorie d'Onsager, jusqu'à maintenant.

    "L'étude est largement pertinente pour le domaine de recherche émergent de la physique hors équilibre, et plus particulièrement pertinent pour l'étude des superfluides et des supraconducteurs, " dit l'auteur, le professeur Kris Helmerson, qui travaille avec Johnstone à l'école de physique et d'astronomie de Monash.

    La nouvelle recherche est décrite dans deux articles publiés dans Science aujourd'hui, avec une étude expérimentale menée depuis le nœud de l'Université Monash de FLEET, et l'autre issue d'une collaboration EQUS/FLEET à l'Université du Queensland.

    La grande tache rouge de Jupiter est un exemple de vortex 2D. Crédit :NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Gerald Eichstadt/Justin Cowart

    Pourquoi les tourbillons et la turbulence quantique

    La plupart des gens connaissent le concept de vortex :qu'il s'agisse de la forme tordue familière d'une tornade, ou le simple bain à remous qui se forme dans une baignoire s'écoule par le bouchon.

    Les tourbillons se produisent également dans les systèmes 2D où il n'y a pas de mouvement vertical, comme à la surface des liquides, ou dans un système atmosphérique tel que les cyclones. En réalité, Les tourbillons 2D couvrent une vaste gamme de systèmes, du mouvement superfluide des neutrons à la surface des étoiles à neutrons au Gulf Stream de l'océan Atlantique au mouvement à résistance nulle des électrons dans les supraconducteurs à haute température.

    Depuis 70 ans, notre compréhension de tels systèmes de vortex 2-D a été régie par la théorie de Lars Onsager selon laquelle plus d'énergie est mise dans le mélange chaotique de petits vortex dans un système 2-D turbulent, au fil du temps, les tourbillons tournant dans la même direction se regrouperaient pour former de plus gros, tourbillons stables - le système devient ordonné, plutôt que plus chaotique.

    Afin de rendre sa théorie de 1949 mathématiquement traitable, Onsager considéré comme un superfluide, qui, selon lui, auraient des tourbillons quantifiés (vortex avec moment angulaire quantifié), un concept développé par Richard Feynman.

    • Vortex dominé par les dipôles (étude Monash). Crédit :École de physique et d'astronomie, Université Monash

    • Une comparaison de la turbulence du très gros (une tempête sur Jupiter) à l'incroyablement petit (turbulence quantique). Crédit : Université du Queensland

    La théorie d'Onsager décrit l'énergie d'un système turbulent 2-D se rassemblant en haute énergie, longue durée de vie, tourbillons à grande échelle. Il s'agit d'un état d'équilibre inhabituel où l'entropie diminue en fonction de l'énergie, à l'opposé de ce que nous considérerions comme des régimes thermodynamiques « normaux ».

    L'équipe dirigée par Monash a généré des distributions de vortex à une plage de températures et observé leur évolution ultérieure. Les États qui ont commencé avec des distributions de tourbillons relativement aléatoires ont commencé à s'ordonner, comme Onsager l'avait décrit. L'étude de l'Université du Queensland, d'autre part, généré directement deux grands amas de tourbillons, circulant dans des directions opposées, tester la stabilité de cette configuration très ordonnée.

    Les deux études ont utilisé des condensats de Bose Einstein (BEC), un état quantique qui existe à des températures ultra-basses, et dans lequel les effets quantiques deviennent visibles à une échelle macroscopique.

    Les chercheurs ont créé des turbulences dans des condensats d'atomes de rubidium à l'aide de lasers, et observé le comportement des tourbillons résultants au fil du temps.

    Les deux études sont très prometteuses pour de futures études de structures émergentes dans des systèmes quantiques en interaction éloignés de l'équilibre.

    Les deux études :« Evolution of large-scale flow from turbulence in a two-dimensional superfluid » et « Giant vortex clusters in a two-dimensional quantum fluid, " ont tous deux été publiés dans Science aujourd'hui.

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