Khi khuấy một chút sữa vào ly cà phê, các nhà vật lý học có thể phỏng đoán được hình dáng của dòng sữa sẽ xoáy trong ly cà phê như thế nào. Tương tự, với sự hiểu biết về vật lý chính xác, chúng ta có thể xác định được một vụ nổ lớn trong Hệ Mặt trời sẽ tác động như thế nào đến tận các khu vực xa xôi, với độ chính xác cao.
Theo khoa học, chất lỏng thực sự là nguyên tố hỗn loạn, khi chúng hoà vào nhau. Nhưng một phương pháp mới được công bố trên PNAS đã tính toán được chuyển động của chúng, có thể dự đoán được dòng chảy của chúng sẽ như thế nào.
Các nhà khoa học không chỉ có thể sử dụng điều này để nâng cao hiểu biết của chúng ta về thủy động lực học. Nghiên cứu cũng có thể cho chúng ta kiến thức để dự báo thời tiết, thiết kế đường đi cho các phương tiện giao thông, với độ chính xác cao hơn rất nhiều.
Các nhà vật lý học từ Viện Công nghệ Georgia đã cho thấy rằng có thể xác định được ‘trật tự nhất định', khi sự hỗn loạn được thực hiện với các mẫu vật có thể đo lường được, giúp chúng ta hiểu được sự sắp xếp của trật tự theo toán học trong sự hỗn loạn.
Nhiễu động trong chất lỏng từng được mô tả như một quá trình ngẫu nhiên
Nhà vật lý Roman Grigoriev của Viện Công nghệ Georgia cho biết: “Trong gần một thế kỷ qua, nhiễu động đã được mô tả về mặt thống kê như một quá trình ngẫu nhiên.
"Kết quả của chúng tôi cung cấp minh họa thực nghiệm đầu tiên rằng, trong các khoảnh khắc thời gian ngắn phù hợp, động lực của nhiễu loạn là xác định được - và nó có được xác định bằng một tập hợp các phương trình chi phối cơ bản".
Sự hỗn loạn khó dự đoán phần lớn là do cách các xoáy nước nhỏ, hoặc xoáy nước, hình thành trong một chất lỏng. Khi vật chất chảy theo đường thẳng trong một môi trường vật chất êm dịu, thật không khó để dự đoán tốc độ và quỹ đạo của nó. Nếu bất kỳ dòng chảy vật chất nào trong môi trường vật chất êm dịu trở nên chậm chạp, có lẽ do bị kéo dọc theo một bề mặt ít di động hơn, chất lỏng sẽ tự cuộn lại.
Với mỗi dòng chảy uốn lượn mới, một bề mặt mới hình thành có thể tạo ra các xoáy mới.
Sự nhiễu động sẽ phức tạp hơn nữa, khi mỗi xoáy nước hoạt động theo tác động của một số yếu tố - từ áp suất đến độ nhớt - cùng với nhiệt độ trong ly cà phê mà không máy tính nào có thể hy vọng theo dõi được.
Nhìn tổng quát, tất cả dường như rất ngẫu nhiên. Nhưng lùi lại một bước để quan sát, số liệu thống kê cho thấy rõ ràng quá trình tổng thể vẫn được gắn chặt vào các quy tắc vận động của vật chất này trong vật chất khác, hoặc của các vật thể khác chuyển động trong Vũ trụ.
Grigoriev nói: “Sự hỗn loạn có thể được tưởng tượng như những chiếc xe ô tô cùng chạy theo một hướng trên các con đường”.
"Có lẽ một sự tương tự tốt hơn để chiêm nghiệm là một đoàn tàu chạy trên đường ray, nó không chỉ đi theo đường sắt theo một lịch trình quy định, mà nó còn cần chạy theo hình dạng của tuyến đường sắt mà nó đang chạy trên đó".
Cũng giống như với tuyến đường sắt, chúng ta có thể mô tả sự nhiễu loạn dưới dạng mô phỏng số hoặc bằng mô hình vật lý. Và cũng giống như một lịch trình tàu hỏa giúp bạn đi làm đúng giờ, thì việc tuân theo phương pháp toán học cho sự hỗn loạn là cách duy nhất để đi nếu bạn muốn có những dự đoán đáng tin cậy.
Thật không may, tất cả những yếu tố đó đều cần được tổng hợp lại để tính toán, do vậy việc tính toán trở nên rất là phức tạp.
Bể thí nghiệm sự chuyển động hỗn loạn của chất lỏng
Để xem liệu có cách nào để đơn giản hóa các dự đoán hay không, nhóm nghiên cứu đã xây dựng một bể thí nghiệm có vách bể làm bằng vật liệu trong suốt, và chất lỏng sử dụng trong thí nghiệm đưa vào bể có chứa các hạt huỳnh quang cực nhỏ.
Chất lỏng được chuyển động quay theo các kênh trong một cặp xi lanh độc lập, các nhà khoa học có thể theo dõi các chất phát sáng trong chất lỏng giống như xem các đoàn tàu đi qua các nhà ga trong thời gian thực.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu thực sự cần đưa ra những dự đoán về lịch trình cụ thể của sự chuyển động của chất lỏng trước. Sau đó họ cần so sánh xem lịch trình chuyển động nào của chất lỏng giống với những gì họ nhìn thấy trong cuộc thí nghiệm.
Làm như vậy liên quan đến các giải pháp tính toán của một tập hợp các phương trình được phát minh ra gần 200 năm trước. Bằng cách căn chỉnh thí nghiệm với các kết quả toán học, nhóm có thể xác định khi nào các dạng chuyển động hỗn loạn cụ thể lại xuất hiện thành một cấu trúc chuyển động mạch lạc.
Mặc dù các cấu trúc mạch lạc thường xuyên xuất hiện trong chất lỏng chuyển động, nhưng thời gian của các cấu trúc liên kết là không thể đoán trước. Trong thiết lập cụ thể này, các cấu trúc nhất quán tuân theo một dạng bán chu kỳ bao gồm hai tần số - một tần số quay quanh trục đối xứng của dòng chảy, tần số kia dựa trên một tập hợp các dịch chuyển khác của các yếu tố của môi trường xung quanh.
Mặc dù không chính xác là một tập hợp đơn giản các phương trình có thể mô tả được sự hỗn loạn ở tất cả các dạng của chuyển động, nhưng nó thể hiện được vai trò của các cấu trúc mạch lạc trong chuyển động hỗn loạn, do đó làm cho chúng dễ dự đoán hơn.
Mở rộng ứng dụng của nghiên cứu
Bằng cách mở rộng công việc này, nghiên cứu trong tương lai có thể làm cho 'thời gian biểu' của sự hỗn loạn năng động hơn, mô tả chúng chi tiết hơn mức trung bình mà sự thống kê có thể cung cấp.
Grigoriev nói: “Nó có thể cho chúng tôi khả năng cải thiện đáng kể độ chính xác của các dự báo thời tiết và đặc biệt nhất là cho phép dự đoán các hiện tượng cực đoan như bão và lốc xoáy.
"Động lực học cũng rất cần thiết trong việc thiết kế các dòng chảy với các đặc tính mong muốn, chẳng hạn như giảm lực cản của các yếu tố xung quanh để cải thiện hiệu suất nhiên liệu; hoặc tăng cường hiệu suất trong ngành giao thông vận tải để loại bỏ bớt carbon dioxide khỏi khí quyển của chúng ta".
Cuối cùng, nó thậm chí có thể giúp bạn biết được dòng chảy của sữa trong ly cà phê của bạn sẽ chuyển động như thế nào khi bạn khuấy nó.
