Svakodnevno doživljavamo turbulencije: nalet vetra, vodu koja šiklja niz reku ili neravnine u letu u avionu.
Iako je možda lako razumeti šta uzrokuje neke vrste turbulencija – posečeno drvo u reci ili medved koji prska okolo u potrazi za lososom – sada postoje dokazi da vrlo mali poremećaj na početku može imati dramatične posledice kasnije. Umesto o drvetu, zamislite grančicu – ili čak zaokretno kretanje molekula.
Ugledni profesor fizike Univerziteta Kalifornije u San Dijegu Najdžel Goldenfeld, zajedno sa svojim bivšim učenikom Dmitrom Bandakom i profesorima Aleksejem Majibajevim i Gregorijem Ajnkom, pokazao je u teorijskim modelima turbulencije da čak i molekularna kretanja mogu da stvore široke obrasce definisane slučajnosti u period. Njihov rad se pojavljuje u Physical Review Letters.
Leptir maše krilima u Brazilu, što kasnije izaziva tornado u Teksasu. Iako ovu frazu obično koristimo da označimo prividnu međusobnu povezanost naših života, termin „efekat leptira“ se ponekad povezuje sa teorijom haosa. Goldenfeld je rekao da njihov rad predstavlja ekstremniju verziju efekta leptira, koji je prvi opisao matematičar i meteorolog Edvard Lorenc 1969. godine.
„Ono što smo naučili je da će u turbulentnim sistemima vrlo mali poremećaj u jednom trenutku imati pojačan efekat u konačnoj tački u budućnosti, ali kroz mehanizam koji je brži od haosa.“
Iako je matematički mehanizam za ovo pojačanje, poznat kao spontana stohastičnost, otkriven pre oko 25 godina, Goldenfeld je primetio: „Činjenica da nasumično kretanje molekula, odgovorno za svakodnevni fenomen temperature, može da generiše spontanu stohastičnost nije bila poznata pre našeg rad.“
Razmišljajući o grančici u reci, iako možete primetiti mali poremećaj gde voda teče preko grančice, ne biste očekivali da će stvoriti veliku turbulenciju (preko vrtloga i kovitlaca) nizvodno. Ipak, to je upravo ono što Goldenfeldov rad pokazuje. On objašnjava da je mehanizam poznat kao spontana stohastičnost, jer se slučajnost javlja iako se očekivalo da će kretanje fluida biti predvidljivo.
Štaviše, bilo bi nemoguće precizno odrediti grančicu koja je prvobitno pokrenula vrtloge i vrtloge. U stvari, možda uopšte nema poremećaja u protoku vode tamo gde se grančica nalazi.
Nalazi tima su takođe pokazali da se spontana stohastičnost dešava bez obzira na početni poremećaj. Bilo da je u pitanju grančica, kamenčić ili grudva zemlje, slučajnost koju dobijete u velikim razmerama je ista. Drugim rečima, slučajnost je suštinska za proces.
Tim je koristio termalni šum kao sistem za svoje proračune jer je uvek prisutan – primetno u šištanju vašeg pojačala. Taj šum je zvuk elektrona koji se kreću unutar vaše elektronike. U tečnosti se kreću molekuli umesto elektrona.
Iako je Navier-Stokesova jednačina standardni model za izračunavanje turbulentnih tokova, bilo je računski neizvodljivo koristiti pune jednačine fluida za simulaciju veoma ekstremnih turbulentnih događaja potrebnih da se ubedljivo demonstriraju tvrdnje tima.
Umesto toga, koristili su pojednostavljenu jednačinu i na taj način pokazali da poremećaj na skali od mikrona (milioniti deo metra) može prouzrokovati da čitavi fluidni sistemi ispolje spontanu stohastičnost na način koji ne zavisi od izvora poremećaja. .
„Za sada, ovo će morati da uradi“, rekao je Goldenfeld, „ali se nadamo da će budući proračuni superkompjutera moći da potvrde naše rezultate koristeći pune jednačine fluida.“
„Postoji fundamentalna granica za ono što se može predvideti sa turbulencijom“, rekao je Goldenfeld. „To vidite u vremenskoj prognozi; uvek postoji fundamentalni izvor slučajnosti. Precizan smisao u kome je ova nepredvidljivost bila neizbežna nije bio u potpunosti shvaćen pre našeg rada.“
Upravo ta slučajnost čini tako teškim da se tačno predvidi vreme više od nekoliko sati unapred. Meteorološke stanice uzorkuju vremenske prilike na odabranim lokacijama, a kompjuterske simulacije ih spajaju, ali bez poznavanja tačnog vremena svuda u ovom trenutku, teško je predvideti tačno vreme svuda u budućnosti. Ovaj rad nagoveštava mogućnost da će fundamentalna ograničenja uvek postojati jer će se slučajnost uvek pojaviti.
Takođe mogu postojati implikacije u istraživanju astrofizike. Naučnici već shvataju da su kompjuterske simulacije o tome kako se formiraju galaksije i kako je naš univerzum evoluirao osetljive na buku. Često se ponašanje zvezda, planeta i galaksija ne može lako objasniti i može se pripisati vrstama mikroskopske buke koju su Goldenfeld i njegove kolege otkrili.
