Två australiensiska studier som publicerades i veckan erbjuder det första beviset på en 70-årig teori om turbulens.

"Studierna bekräftar en avgörande teori om bildandet av storskaliga virvlar från turbulens i 2-D vätskeflöde, där de stora virvlarna kommer från ett uppenbart kaos av mindre virvlar, "säger författaren prof Matt Davis, FLEETs ledning på University of Queensland -papper.

Vätskor begränsade till flöde i två dimensioner kan observeras i system som sträcker sig från elektroner i halvledare, till ytan av tvålbubblor, till atmosfäriska fenomen som cykloner.

"En av de vanligt observerade funktionerna i ett sådant 2-D-flöde är bildandet av storskalig virvlande rörelse av vätskan från den ursprungligen kaotiska virvlande rörelsen som är typisk för turbulent flöde, som Jupiters berömda Great Red Spot, "säger Monash -studiens huvudförfattare, Shaun Johnstone.

Turbulens, med dess till synes slumpmässiga och kaotiska rörelse av vätskan, är ett notoriskt svårt problem, för vilken det inte finns någon allmän teoretisk beskrivning. (Faktiskt, Clay Mathematics Institute erbjuder ett pris på en miljon dollar till alla som kommer med en teori om turbulens.)

Det finns, dock, en enkel teori, föreslog 1949 av nobelpristagaren Lars Onsager, för att förklara bildandet av storskalig virvelrörelse från initialt turbulent 2-D-flöde.

Trots överklagandet av Onsagers fysiska bild av 2-D turbulens, det kan bara göra kvantitativa förutsägelser för en speciell typ av vätska:en 'superfluid, "som flyter utan viskositet eller drag, och som endast kan realiseras vid extremt låga temperaturer. Detta hade försvårat en testning av Onsagers teori, tills nu.

"Studien är i stort relevant för det framväxande forskningsområdet för icke-jämviktsfysik, och mer specifikt relevant för studier av supervätskor och supraledare, "säger författaren Prof Kris Helmerson, som arbetar med Johnstone i Monash's School of Physics and Astronomy.

Den nya forskningen beskrivs i två uppsatser i Vetenskap i dag, med en experimentell studie ledd från FLEET:s Monash University -nod, och den andra ledde från ett EQUS/FLEET -samarbete vid University of Queensland.

Varför virvlar och kvantturbulens

De flesta känner till begreppet virvel:om den välkända vridningsformen av en tornado, eller den enkla bubbelpoolen som bildas vid ett badkar rinner bort genom plugolen.

Virvlar förekommer också i 2-D-system där det inte finns någon vertikal rörelse, såsom vid vätskans yta, eller i atmosfäriskt system som cykloner. Faktiskt, 2-D virvlar täcker ett stort antal system, från överflödig rörelse av neutroner på ytan av neutronstjärnor till Atlanten, Golfströmmen till nollmotståndsrörelse av elektroner i högtemperatur superledare.

I 70 år, vår förståelse av sådana 2-D-virvelsystem har styrts av Lars Onsagers teori om att allt mer energi läggs i den kaotiska blandningen av små virvlar i ett turbulent 2-D-system, med tiden skulle virvlar som roterar i samma riktning samlas för att bilda större, stabila virvlar - systemet blir ordnat, snarare än mer kaotiskt.

För att göra hans teori från 1949 matematiskt överförbar, Onsager betraktades som en supervätska, som han uppgav skulle ha kvantiserat virvlar (virvlar med kvantiserad vinkelmoment), ett koncept som vidareutvecklats av Richard Feynman.

Onsagers teori beskrev ett 2-D turbulent systems energi som samlades i hög energi, långlivad, storskaliga virvlar. Detta är ett ovanligt jämviktstillstånd där entropin minskar som en funktion av energi - motsatsen till vad vi skulle betrakta som "normala" termodynamiska regimer.

Det Monash-ledda teamet genererade virvelfördelningar vid olika temperaturer och observerade deras efterföljande utveckling. Stater som började med relativt slumpmässiga fördelningar av virvlar sågs börja beställa själva, som Onsager hade beskrivit. Studien från University of Queensland, å andra sidan, direkt genererade två stora kluster av virvlar, flyter i motsatta riktningar, testar stabiliteten hos denna högordnade konfiguration.

Båda studierna experimenterade med Bose Einstein -kondensat (BEC), ett kvanttillstånd som existerar vid ultralåga temperaturer, och där kvanteffekter blir synliga i makroskopisk skala.

Forskarna skapade turbulens i kondensat av rubidiumatomer med hjälp av lasrar, och observerade beteendet hos de resulterande virvlarna över tid.

Båda studierna erbjuder ett stort löfte för framtida studier av framväxande strukturer i samverkande kvantsystem som drivs långt från jämvikt.

De två studierna:"Utveckling av storskaligt flöde från turbulens i en tvådimensionell supervätska" och "Jättevirvelkluster i en tvådimensionell kvantvätska, "publicerades båda i Vetenskap i dag.