Dengeden çıkmış bir kuantum gazındaki kaotik enerji kademelenmesi, deneysel olarak türetilmiş bir durum denklemiyle yakalanır.
Okyanus dalgaları ve finans piyasaları gibi türbülanslı sistemler, sırasıyla esen rüzgar ve küresel çapta önemli haberler tarafından karıştırılabilse de, girdi enerjisi sıklıkla enjekte edildiği yerden farklı bir ölçekte son bulur. Türbülans nedeniyle enerji, büyük, geniş kapsamlı salınımlardan küçük, yerel salınımlara doğru kademeli olarak ilerler ve sonunda enerjisini ısı olarak kaybeder.
Cambridge Üniversitesi araştırmacıları, bir kuantum akışkanında tüm uzunluk ölçeklerinde kaotik bir kademelenmeyi inceleyerek sistem içindeki enerji akışını karakterize eden iki önemli özellik arasında bir bağlantı keşfettiler. Sonuç, dengede olmayan sistemler için bile bir durum denkleminin (ideal gaz yasası gibi termodinamik bir bağlantı) verilebileceğini gösteriyor.
Denge termodinamiği, bir gazdaki moleküller gibi çok cisimli sistemlerin özelliklerini yakalamayı amaçlar. Burada, mikroskobik özellikleri incelemeden, durum denklemleri sistemin makroskobik niteliklerini karakterize eden ölçülebilir değerler arasındaki temel korelasyonları tasvir eder. Örneğin, Robert Boyle 1662 yılında bir gazın basıncının sabit sıcaklıktaki hacmiyle ters orantılı olduğunu keşfetmiştir. Bilim insanları uzun bir süredir, camsı malzemeler, aktif madde ve türbülanslı akışkanlar gibi temelde dengede olmayan sistemler için benzer değerlendirmelerin yapılıp yapılamayacağını sorgulamışlardır.
Tahmin edilen davranışın temel ilkelerden kesin olarak belirlenmesi veya tek bir sistemdeki ilgili tüm parametrelerin ölçülmesi sıklıkla mümkün olmadığından, denge dışı sistemlerin karakterize edilmesi zordur.
Örneğin, türbülanslı akışkanlar çeşitli boyutlarda tanımlanmalıdır çünkü akışkana verilen enerji, orijinal enerjiden geriye kalan tek şey en küçük girdaplar olana kadar enerjiyi daha küçük dalgalara dağıtan büyük dalgalar üretir. Çalışmanın başyazarı Zoran Hadzibabic, “Bu tür basamakların genel özelliklerini deneysel olarak tanımlamak, hem kuantum hem de klasik sistemlerde dalga türbülansı anlayışımızı ilerletmek için çok önemlidir” diyor.
Hadzibabic ve ekibi, bir kuantum sıvısı, yani potasyum atomlarından oluşan ultra soğuk bir gaz kullanarak tüm uzunluk ölçeklerinde türbülansı kontrol edebilecekleri ve inceleyebilecekleri dengesiz bir sistem yarattı. Başlangıçta, atomları lazer ışığının silindir şeklindeki bir “kutusu” içinde tuttular.
Daha sonra, kutunun içindekileri küvetteki su gibi sallayarak salınım yapan bir manyetik alan kullandılar. Gaz, bu enerji girişinin bir sonucu olarak uzun dalga boylu uyarımlar yaşadı, ancak zaman geçtikçe atomlar arasındaki etkileşimler, uyarımların daha küçük uzunluk ölçeklerine basamaklanmasına yol açtı. Enerji dağılım oranı ve enerji enjeksiyonu tam olarak eşit olduğunda, enerji dağılmış ve enerji kaskadı sonunda kararlı bir duruma ulaşmıştır.
Araştırmacılar atom hareketini yüksek bir hassasiyetle izleyebildikleri için, enerji kademesindeki en kısa dalga boylarına sahip olanlara kadar tüm uyarma modlarının genlikleri ölçülebildi. Hadzibabic’e göre önemli olan, “ilgili tüm uzunluk ölçeklerini gözlemleyebilmemizdir – türbülansın meydana geldiği diğer sistemlerde bunu yapmak çok zordur.” Ona ve çalışma arkadaşlarına göre dalgaların popülasyonu, bir üs ve bir spektrum genliği (güç yasası ön faktörü) ile bir güç yasası dağılımı izledi. Enerji büyük uzunluk ölçeklerinden küçük uzunluk ölçeklerine doğru istikrarlı bir şekilde hareket eder, dolayısıyla bu dağılım değişmeden kalmıştır.
Sistemden geçen ve dağılan enerji girdisi miktarı araştırmacılar tarafından son olarak değerlendirilmiştir. Karıştırılmış banyo suyu gibi klasik bir akışkandaki enerji akışını hesaplamak zordur çünkü sisteme giren ve ısı olarak çıkan karıştırma enerjisi miktarı banyo suyunun sıcaklığını fark edilir şekilde değiştiremeyecek kadar azdır. Ancak grubun kuantum gazıyla, harcanan enerji miktarı, belirli bir enerji miktarıyla tuzaktan kaçmayı başaran atomlar sayılarak kesin olarak belirlenebilir.
Araştırmacılar, testlerini çeşitli gaz konsantrasyonları ve çalkalama koşullarıyla tekrarlayarak spektrum genliği ve enerji akışının her zaman aynı evrensel fonksiyonla bağlanabileceğini keşfettiler. Hadzibabic, enerjinin sisteme nasıl girdiğinin önemli olmadığını; denge termodinamiğine göre sadece ne kadar enerji girdiğinin önemli olduğunu savunuyor. Ölçümler, türbülans teorileri için gerekli bir ilişkiyi tanımlayan evrensel bir durum denkleminin bu dengesiz sistem için var olduğunu gösterdi.
Teorisyenler, spektrum genliği ile enerji akısı arasında durum denklemine benzer bir ilişki öngörmektedir. Ancak Hadzibabic, bunu deneysel bir ortamda gözlemlemenin ilginç olduğunu söyledi. Kuantum sistemine özgü uzunluk ölçekleri artık önemli değildir çünkü bu evrensel durum denklemi boyutsuz bir biçimde ifade edilebilir.
Sonuç, klasik akışkanları daha evrensel olarak uygulanabilir hale getirebilir ve muhtemelen dengesiz sistemleri modellemek için yeni bir araçla sonuçlanabilir. Bununla birlikte, yeni kuantum verileri ile klasik dalga türbülansı teorileri arasında henüz tam olarak kavranmamış farklılıklar olabilir.
İtalyan Ulusal Araştırma Konseyi Plazma Bilimi ve Teknolojisi Enstitüsü’nde türbülans ve uzay plazmaları üzerine çalışan fizikçi Luca Sorriso-Valvo’ya göre soğuk atom temelli strateji, araştırmacılara gerçek türbülanslı sistemlerdeki dinamik rejimleri ve ilgili ölçeklendirme yasalarını tanımlamada yardımcı olabilir. Yazar, “Türbülanslı sistemlerin dengeden uzak termodinamik çerçevesinde incelenmesi zorlu ve heyecan verici bir konu” diyor.
Yeni denklem, karmaşık türbülanslı akışları temsil etmek için kullanılabilecek bir enerji kaskadı hakkında ayrıntılı bilgi sağlıyor.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/140
