بينما ينتقل النظام في كثير من الأحيان إلى الفوضى ، يكون العكس صحيحًا في بعض الأحيان. يميل السائل المضطرب ، على سبيل المثال ، إلى تشكيل نمط مرتب تلقائيًا: خطوط متوازية.
على الرغم من أن الفيزيائيين قد لاحظوا هذه الظاهرة بشكل تجريبي ، يمكنهم الآن تفسير سبب حدوث ذلك باستخدام معادلات ديناميكيات السوائل الأساسية ، مما يجعلهم أقرب إلى فهم سبب تصرف الجسيمات بهذه الطريقة.
في المختبر ، عندما يتم وضع السائل بين لوحين متوازيين يتحركان في اتجاهين متعاكسين من بعضهما البعض ، يصبح تدفقه مضطربًا. ولكن بعد فترة وجيزة ، يبدأ الاضطراب في التهدئة بنمط مخطط. ما ينتج عنه هو لوحة من الخطوط الناعمة والمضطربة التي تعمل بزاوية على التدفق (تخيل موجات طفيفة خلقتها الرياح في نهر).
قال المؤلف الكبير توبياس شنايدر ، الأستاذ المساعد في كلية الهندسة في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان: "تحصل على هيكل وترتيب واضح من حركة الاضطراب الفوضوية". هذا "السلوك الغريب والغموض" قد "أبهر العلماء لفترة طويلة."
توقع الفيزيائي ريتشارد فاينمان أنه يجب إخفاء التفسير في المعادلات الأساسية لديناميكيات السوائل ، والتي تسمى معادلات نافيير-ستوكس.
لكن شنايدر أخبر Live Science أن حل هذه المعادلات صعب للغاية وتحليله. (يُظهر أن معادلات Navier-Stokes لها حل سلس في كل نقطة للسائل ثلاثي الأبعاد هو أحد مشاكل جائزة الألفية البالغة مليون دولار.) حتى هذه اللحظة ، لم يكن أحد يعرف كيف تنبأت المعادلات بهذه السلوكيات التي تشكل النمط. استخدم شنايدر وفريقه مجموعة من الأساليب ، بما في ذلك المحاكاة الحاسوبية والحسابات النظرية للعثور على مجموعة من "الحلول الخاصة جدًا" لهذه المعادلات التي تصف رياضيًا كل خطوة من مراحل الانتقال من الفوضى إلى النظام.
وبعبارة أخرى ، قاموا بتقسيم السلوك الفوضوي إلى كتل بناء غير فوضوية ووجدوا حلولًا لكل قطعة صغيرة. قال شنايدر "إن السلوك الذي نلاحظه ليس فيزياء غامضة". "إنها مخفية إلى حد ما في المعادلات القياسية التي تصف تدفق السوائل."
هذا النمط مهم لفهمه لأنه يوضح كيف يتنافس المضطرب والهدوء ، والمعروف أيضًا باسم "التدفق الصفحي" ، مع بعضهما البعض لتحديد حالته النهائية ، وفقًا لبيان. عندما يحدث هذا النمط ، تكون التدفقات المضطربة والرققية متساوية في القوة - مع عدم فوز أي طرف في لعبة شد الحبل.
لكن هذا النمط لا يُرى حقًا في الأنظمة الطبيعية ، مثل الاضطراب في الهواء. ويشير شنايدر إلى أن نمطًا كهذا سيكون في الواقع "سيئًا جدًا" للطائرة لأنه سيتعين عليها الطيران عبر سقالة من الخطوط المضطربة وليست مضطربة.
وبدلاً من ذلك ، كان الهدف الرئيسي من هذه التجربة هو فهم الفيزياء الأساسية للسوائل في بيئة خاضعة للرقابة ، على حد قوله. وأضاف أنه فقط من خلال فهم حركات السوائل البسيطة للغاية يمكننا أن نبدأ في فهم أنظمة الاضطراب الأكثر تعقيدًا الموجودة في كل مكان حولنا ، من تدفق الهواء حول الطائرات إلى داخل خطوط الأنابيب.
نشر الباحثون نتائجهم في 23 مايو في مجلة Nature Communications.
