Turbulentny ruch płynów jest prawdopodobnie najbardziej skomplikowanym problemem fizyki, ale także jednym z najważniejszych. Rzeczywiście, nawet dzisiaj niezwykle trudno jest przewidywać turbulentną dynamikę płynów. Jednak turbulencje mają fundamentalne znaczenie dla opisu np. aerodynamiki samolotu i przepływu krwi w naszych tętnicach, ale także dla zrozumienia istnienia ziemskiego pola magnetycznego i erupcji korony słonecznej.
W artykule opublikowanym niedawno w Nature Photonics naukowcy z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk, University College London (Wielka Brytania) oraz zaawansowanej grupy fotonicznej CNR-NANOTEC (Włochy) po raz pierwszy stworzyli ruch turbulentny w płynie światła, skutecznie otwierając nową dziedzinę badań, która wykorzystując potencjał fotoniki umożliwia badanie turbulencji z niespotykaną dotąd precyzją. Dario Ballarini, lider grupy badawczej w CNR-NANOTEC, wyjaśnia: - Chociaż zasadniczo ruchem turbulentnym rządzą dobrze znane równania Naviera-Stokesa, trudność problemu polega na nieliniowości tych równań względem prędkość płynu i szeroki zakres zaangażowanych skal przestrzennych. Te dwa elementy utrudniają numeryczną symulację turbulentnej dynamiki, nawet przy użyciu bardzo potężnych dostępnych obecnie komputerów. W ostatnim stuleciu dokonał się w tym zakresie istotny postęp. W 1941 roku A. N. Kołmogorow przedstawił hipotezę fundamentalnego aspektu turbulencji, a mianowicie obecności „kaskad energii”. - W objętości płynu w ruchu turbulentnym energia przepływa od bardzo dużych struktur wirowych do coraz mniejszych, bezwładnie i bez rozpraszania, aż do osiągnięcia bardzo małych skal przestrzennych, gdzie energia jest ostatecznie rozpraszana w ciepło - wyjaśnia Daniele Sanvitto, dyrektor grupy badawczej w CNR-NANOTEC. - Co zaskakujące, w dwóch wymiarach, tj. w ruchu turbulentnym cienkiej warstwy płynu, dzieje się dokładnie odwrotnie: większe wiry tworzą się z mniejszych i tworzą stabilne, duże wzory wirowe w czasie. To nie jest zwykła ciekawostka matematyczna; wręcz przeciwnie, ta „odwrotna kaskada” energii leży u podstaw akumulacji plastiku w oceanach (powierzchniowych ruch fal można właściwie uznać za dwuwymiarowy) oraz stabilności struktur wirowych w atmosferze ziemskiej rozciągających się na tysiące kilometrów”. Ten opis statystyczny wynika ze złożoności problemu, ale fizyka kwantowa staje się nieoczekiwanie przydatna do podejścia do problemu turbulencji z innej strony. Paolo Comaron z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk i University College London, który wspólnie z Michałem Matuszewskim opracował analizę teoretyczną tej pracy, dodaje - W przeciwieństwie do klasycznej turbulencji, która jest wszechobecna w życiu codziennym, turbulencja kwantowa jest niezwykle trudna do badania i wymaga starannego przygotowania płynów kwantowych. W płynie kwantowym wiry są skwantowane i pozwalają na opracowanie uproszczonych modeli turbulencji (modele wirów punktowych), co sugeruje, że zrozumienie turbulencji kwantowych może posłużyć do uchwycenia zasadniczych i wciąż tajemniczych aspektów turbulencji w płynach klasycznych. Niedawno możliwość sterowania płynami kwantowymi osiągnęła wysoki poziom precyzji, co umożliwiło wprowadzenie w życie pomysłów L. Onsagera i R. P. Feynmanna, którzy zapoczątkowali badanie turbulencji kwantowych. Jednak w dwuwymiarowych systemach świetlnych jest to nadal w dużej mierze niezbadane zjawisko. Skłoniło nas to do zbadania turbulencji w nowym systemie, kwantowych cieczach światła. W ramach tego badania naukowcy biorący udział w międzynarodowej współpracy byli w stanie zaobserwować odwrotną kaskadę energii i tworzenie się skupisk wirów tego samego znaku w kwantowym płynie światła, pokazując, że nawet w dwuwymiarowej turbulencji kwantowej i klasycznej zachodzą te same podstawowe procesy . Możliwość pomiaru prędkości przepływu kwantowej cieczy światła i śledzenia ruchu wirów kwantowych w tych układach optycznych daje ogromną nadzieję na zrozumienie zjawiska, które przez wieki okazywało się trudne do opanowania.
