Các nhà khoa học đã tạo ra một quả cầu hỗn loạn kèm theo trong bể nước có thể giúp trả lời một loạt câu hỏi bấy lâu nay. Sự hỗn loạn luôn ở xung quanh chúng ta. Sự nhiễu loạn có ở khắp mọi nơi, từ vòng xoáy của cà phê và sữa trong cốc latte, đến lực khí động học trên cánh máy bay và thành ô tô, và thậm chí đến dòng máu chảy trong tim sau khi van đóng lại. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa hiểu đầy đủ tất cả chúng.
Một trong những trở ngại là cách tiếp cận truyền thống của các nhà vật lý, những người thường thích nghiên cứu các hiện tượng tách biệt với các yếu tố bên ngoài. Nhưng khi nói đến nhiễu loạn, cũng giống như việc khuấy một cốc chất lỏng, chiếc thìa vẫn là một phần không thể thiếu trong quá trình, ảnh hưởng đến hoạt động của chất lỏng. Cho đến nay, các phương pháp tách nhiễu loạn như một biến độc lập vẫn còn khó nắm bắt.
Tuy nhiên, một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Chicago đã đi tiên phong trong phương pháp tạo ra dòng chảy rối trong bể nước. Họ sử dụng các tia hình khuyên để phun dòng hình khuyên cho đến khi một "quả bóng" nhiễu loạn biệt lập hình thành và tồn tại.
"Đây là một điều ngạc nhiên đối với chúng tôi", nhà vật lý học Takumi Matsuzawa, tác giả đầu tiên của nghiên cứu mô tả khám phá được công bố trên tạp chí Vật lý Tự nhiên, cho biết. Giáo sư William Irvine, tác giả tương ứng của nghiên cứu, cho biết: “Nó giống như ngồi bình tĩnh trên cánh đồng đi dã ngoại và ngắm một cơn bão đang hoành hành cách đó 50 feet”.
Họ hy vọng bước đột phá này sẽ mở ra một hướng nghiên cứu mới để hiểu rõ hơn về nhiễu loạn.
"Sự hỗn loạn - dòng hỗn loạn của vật chất trong một hỗn hợp không đồng nhất - là một vấn đề cũ. "Nó thường được coi là một trong những vấn đề lớn chưa được giải quyết trong vật lý," Owen nói. "
Trong vài thập kỷ qua, các nhà khoa học đã đạt được tiến bộ trong việc mô tả hành vi của các điều kiện hỗn loạn "lý tưởng hóa". Nói cách khác, nhiễu loạn không có các biến số gây nhiễu như ranh giới, cũng như không có sự thay đổi về cường độ và thời gian. Tuy nhiên, còn nhiều điều cần biết về sự hỗn loạn trong thế giới thực.
"Sự hỗn loạn ở xung quanh chúng ta, nhưng nó đã lảng tránh chúng ta trong cái mà các nhà vật lý coi là một mô tả thỏa đáng," Owen nói. "Ví dụ, nếu bạn hỏi, tôi có thể dự đoán điều gì sẽ xảy ra sau khi đột phá khu vực hỗn loạn này không? Điều gì sẽ xảy ra? Câu trả lời là không." Nguồn hình ảnh: TakumiMatsuzawa
Một trong những vấn đề lớn là sự hiện diện của các biến gây nhiễu trong thí nghiệm. Bạn có thể tạo ra nhiễu loạn bằng cách phun nhanh nước qua đường ống hoặc cánh khuấy trong bể, nhưng nhiễu loạn luôn cọ vào thành bình chứa và máy khuấy, ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm.
Matsuzawa, Owen và cộng tác viên của họ đã thực hiện thí nghiệm "vòng xoáy" trong bể nước -- giống như vòng khói, nhưng ở trong nước. Khi họ cố gắng kết hợp chúng để tạo ra nhiễu loạn, năng lượng thường bật trở lại rồi tiêu tan.
Nhưng khi họ phát hiện ra một công trình đặc biệt—một chiếc hộp có tám góc, mỗi góc có một máy tạo vòng xoáy—điều kỳ lạ đã xảy ra. Khi họ liên tục bắn các vòng gặp nhau ở trung tâm, họ nhìn thấy một quả bóng hỗn loạn khép kín đang hình thành, cách xa các bức tường hộp.
Bản thân đây đã là một bước đột phá: "Trước đây không ai nghĩ rằng điều này có thể thực hiện được, sự nhiễu loạn rất tốt trong việc trộn chất lỏng; nếu bạn trộn sữa vào cà phê, bạn chỉ khuấy một hoặc hai lần trước khi nó hòa quyện hoàn toàn, nhưng chúng tôi có thể giữ nó đúng vị trí, điều này rất đáng ngạc nhiên."
Quả cầu nhiễu loạn độc lập cho phép các nhà khoa học theo dõi các thông số của nó chính xác hơn bằng cách sử dụng tia laser và nhiều camera nhanh. Điều này bao gồm năng lượng và độ xoắn của nó (thước đo mức độ rối hoặc "thắt nút" của vòng dây), cũng như xung lực và xung lượng góc (tương đương với động lượng và động lượng góc của chất lỏng).
Hơn nữa, họ có thể chơi đùa với nó bằng cách thay đổi các tham số. Họ có thể thay đổi xem vòng lặp được đưa vào là xoắn ốc theo chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồng hồ. Họ có thể thay đổi năng lượng đầu vào hoặc ngừng thêm các vòng và xem nhiễu loạn tiêu tan hoặc thay đổi độ xoắn của các vòng và xem nhiễu loạn phát triển như thế nào theo thời gian.
"Sự hỗn loạn tiêu tan như thế nào? Nó giãn nở như thế nào? Nó 'ghi nhớ' điều gì? Năng lượng truyền qua các quy mô như thế nào? Có nhiều loại nhiễu loạn khác nhau không? Chúng ta có thể hỏi đủ loại câu hỏi và đây là một môi trường độc đáo để hỏi chúng," Owen nói. "Tôi thực sự hy vọng điều này sẽ giúp chúng tôi tạo ra bước đột phá mới trong lĩnh vực này.