Mens orden ofte overgår kaos, er det motsatte noen ganger sant. Turbulent væske har for eksempel en tendens til spontant å danne et ryddig mønster: parallelle striper.
Selv om fysikere hadde observert dette fenomenet eksperimentelt, kan de nå forklare hvorfor dette skjer ved å bruke grunnleggende væskedynamikklikninger, og bringe dem et skritt nærmere forståelsen av hvorfor partikler oppfører seg på denne måten.
Når en væske plasseres i laboratoriet mellom to parallelle plater som beveger seg i motsatte retninger fra hverandre, blir strømmen turbulent. Men etter en liten stund begynner turbulensen å glatte ut i et stripet mønster. Det som resulterer er et lerret av jevne og turbulente linjer som går i vinkel mot strømmen (se for deg svake vindskapte bølger i en elv).
"Du får struktur og klar orden ut av den kaotiske bevegelsen av turbulens," sa seniorforfatter Tobias Schneider, assistentprofessor ved ingeniørhøgskolen ved Swiss Swiss Institute of Technology Lausanne. Denne "typen rare og veldig obskure" oppførsel har "fascinert forskere i lang, lang tid."
Fysiker Richard Feynman spådde at forklaringen må være skjult i grunnleggende ligninger av væskedynamikk, kalt Navier-Stokes-ligningene.
Men disse likningene er veldig vanskelige å løse og analysere, sa Schneider til Live Science. (Å vise at Navier-Stokes-ligningene til og med har en jevn løsning på hvert punkt for en 3D-væske, er et av Millennium-prisproblemene på 1 million dollar.) Så til dette tidspunktet var det ingen som visste hvordan ligningene forutså denne mønsterdannende oppførselen. Schneider og teamet hans brukte en kombinasjon av metoder, inkludert datasimuleringer og teoretiske beregninger for å finne et sett med "helt spesielle løsninger" på disse ligningene som matematisk beskriver hvert trinn i overgangen fra kaos til orden.
Med andre ord, de brøt den kaotiske oppførselen ned i de ikke-kaotiske byggesteinene og fant løsninger for hver liten del. "Oppførselen vi observerer er ikke mystisk fysikk," sa Schneider. "Det er på en måte skjult i standardligninger som beskriver væskestrøm."
Dette mønsteret er viktig å forstå fordi det viser hvordan den turbulente og den rolige, ellers kjent som "laminær strømning", konkurrerer med hverandre for å bestemme dens endelige tilstand, ifølge en uttalelse. Når dette mønsteret oppstår, er de turbulente og laminære strømningene like i styrke - uten at noen side vinner dragkampen.
Men dette mønsteret blir ikke virkelig sett i naturlige systemer, for eksempel turbulens i luften. Schneider bemerker at et mønster som dette faktisk "vil være ganske dårlig" for flyet fordi det måtte fly gjennom et stillas av humpete turbulente og ikke turbulente linjer.
Snarere var hovedmålet med dette eksperimentet å forstå den grunnleggende fysikken til væsker i et kontrollert miljø, sa han. Bare ved å forstå de veldig enkle bevegelsene av væsker, kan vi begynne å forstå de mer komplekse turbulenssystemene som finnes overalt rundt oss, fra luftstrømmen rundt fly til innsiden av rørledninger, la han til.
Forskerne publiserte sine funn 23. mai i tidsskriftet Nature Communications.
