Các nhà vật lý đảo ngược chiều dòng năng lượng trong rối loạn, bẻ cong một quy tắc 80 năm

Trong một lớp nước mỏng đang cuộn xoáy, các nhà vật lý đã khiến năng lượng chảy ngược. Thay vì đổ thành thác về phía những xoáy ngày càng nhỏ, hay dâng lên phía những xoáy ngày càng lớn, dòng chảy làm theo điều các nhà nghiên cứu chọn, tùy vào cách họ sắp đặt những lực khuấy động nó. Kết quả thách thức một giả định đã định hình vật lý chất lỏng suốt hơn tám mươi năm.

Suốt hơn tám mươi năm, bức tranh thông dụng về rối loạn là một dòng thác một chiều. Trong các dòng chảy ba chiều của một con sông hay của đại dương mở, người ta cho rằng năng lượng đều đặn đi xuống từ những xoáy lớn tới những xoáy nhỏ, nơi cuối cùng nó tiêu tán thành nhiệt. Trong các lớp mỏng, gần như hai chiều, dòng thác được tin là đảo lại, để các xoáy nhỏ nuôi những xoáy lớn hơn. Dù thế nào, chiều của nó dường như bị ấn định bởi hình học của không gian mà chất lỏng cư ngụ.

Công trình mới gỡ chiều ấy ra khỏi số chiều của dòng chảy. Điều ấn định hướng, các nhà nghiên cứu phát hiện, là sự thẳng hàng giữa hai đại lượng tại mỗi điểm trong chất lỏng: ứng suất nén nó và biến dạng mà nó chịu để đáp lại. Chỉnh góc giữa lực và độ dịch chuyển, và năng lượng có thể bị đẩy lên hay xuống theo thang kích thước. Hình dạng của vật chứa thôi còn là định mệnh.

Để chứng minh, nhóm đã dùng lực từ khuấy một lớp mỏng chất lỏng dẫn điện, rắc lên đó những hạt đánh dấu và quay phim cách chúng chuyển động. Bằng cách định hình lại kiểu cưỡng bức, họ tạo ra trong cùng một thiết bị những dòng chảy có truyền năng lượng xuôi và những dòng chảy có truyền ngược. Các mô phỏng máy tính của cùng bố trí đã tái hiện sự đảo chiều ấy, kiểu khớp nhau biến một hình ảnh đáng ngạc nhiên thành một phép đo.

Điều khiển dòng thác có tầm với thực tế. Chiều năng lượng chảy trong một chất lỏng chi phối cách mọi thứ lan ra trong nó, nên lái nó có thể thay đổi cách một bờ biển phát tán một luồng nước thải, cách một con chip vi lưu trộn những thể tích tí hon cho một xét nghiệm y khoa, hay cách năng lượng di chuyển qua những dòng chảy phân lớp mà các mô hình khí hậu cố nắm bắt.

Màn chứng minh sống trong một hệ được kiểm soát kỹ lưỡng, về bản chất là hai chiều, chứ không phải trong cảnh rối loạn ba chiều hỗn độn của một cơn bão hay một dòng hải lưu sâu. Liệu cùng cái nắm giữ hướng ấy có sống sót trong những dòng chảy ba chiều trọn vẹn, năng lượng cao hay không vẫn là câu hỏi để ngỏ, và bước nhảy từ một khay phòng thí nghiệm ra đại dương là rất lớn. Nguyên lý nay đã được thiết lập; tầm với của nó thì chưa.

Nghiên cứu do một nhóm dẫn dắt từ Đại học Pittsburgh thực hiện, phối hợp với Đại học Turin, và được công bố trên tạp chí Science Advances. Bước tiếp theo của nhóm là kiểm tra xem khả năng điều khiển qua sự thẳng hàng của tenxơ vươn xa đến đâu khi các dòng chảy trở nên dày hơn và giàu năng lượng hơn, chính là chế độ mà phần lớn rối loạn thực sự cư ngụ.

Thẻ: physics