ابتكر العلماء كرة مضطربة مغلقة في خزان مياه قد تساعد في الإجابة على سلسلة من الأسئلة القديمة. الاضطراب يحيط بنا في كل مكان. الاضطرابات في كل مكان، من دوامة القهوة والحليب في اللاتيه، إلى القوى الديناميكية الهوائية على أجنحة الطائرات وجوانب السيارات، وحتى تدفق الدم في القلب بعد إغلاق الصمام. ومع ذلك، ما زلنا لا نفهم كل منهم بشكل كامل.
أحد العوائق هو النهج التقليدي الذي يتبعه الفيزيائيون، الذين غالبًا ما يرغبون في دراسة الظواهر بمعزل عن العوامل الخارجية. ولكن عندما يتعلق الأمر بالاضطراب، تمامًا مثل تحريك كوب من السائل، تظل الملعقة جزءًا لا يتجزأ من العملية، مما يؤثر على سلوك السائل. حتى الآن، ظلت طرق عزل الاضطراب كمتغير مستقل بعيدة المنال.
ومع ذلك، فقد ابتكر فريق من العلماء في جامعة شيكاغو طريقة لإنشاء اضطرابات محتواة في خزان المياه. استخدموا نفاثات حلقية لرش التدفق الحلقي حتى تتشكل "كرة" معزولة من الاضطراب وتستمر.
وقال الفيزيائي تاكومي ماتسوزاوا، المؤلف الأول لدراسة تصف الاكتشاف المنشور في مجلة Nature Physics: "كانت هذه مفاجأة لنا". وقال البروفيسور ويليام إيرفاين، المؤلف المقابل للدراسة: "إن الأمر يشبه الجلوس بهدوء في حقل والقيام بنزهة ومشاهدة عاصفة تهب على بعد 50 قدمًا".
ويأملون أن يفتح هذا الاختراق طريقًا جديدًا للبحث لفهم الاضطراب بشكل أفضل.
وقال أوين: "الاضطراب - التدفق الفوضوي للمادة في خليط غير متجانس - مشكلة قديمة". "غالبًا ما يتم الاستشهاد بها باعتبارها واحدة من أعظم المشكلات التي لم يتم حلها في الفيزياء."
على مدى العقود القليلة الماضية، أحرز العلماء تقدما في وصف سلوك الظروف المضطربة "المثالية". بمعنى آخر، لا يوجد للاضطراب متغيرات مربكة مثل الحدود، ولا تغيرات في الشدة والوقت. ومع ذلك، هناك الكثير مما يجب معرفته عن الاضطرابات في العالم الحقيقي.
وقال أوين: "إن الاضطراب موجود في كل مكان حولنا، لكنه كان بعيد المنال فيما يعتبره الفيزيائيون وصفا مرضيا". "على سبيل المثال، إذا سألت، هل يمكنني التنبؤ بما سيحدث بعد ذلك إذا قمت بثقب هذه المنطقة المضطربة؟ الجواب هو لا. ولا حتى مع أجهزة الكمبيوتر العملاقة."
إحدى المشاكل الكبيرة هي وجود متغيرات مربكة في التجارب. يمكنك إحداث اضطراب عن طريق رش الماء بسرعة عبر أنبوب أو مجاديف التحريك في خزان، لكن الاضطراب دائمًا ما يحتك بجدران الحاوية وأداة التحريك، مما يؤثر على نتائج التجربة.
أجرى ماتسوزاوا وأوين ومعاونوهم تجارب "الحلقة الدوامية" في خزانات المياه - مثل حلقات الدخان، ولكن في الماء. عندما يحاولون الجمع بينهما لخلق اضطراب، عادة ما ترتد الطاقة ثم تتبدد.
ولكن بمجرد اكتشافهم لتكوين خاص - صندوق ذو ثماني زوايا، كل منها مزود بمولد حلقة دوامة - حدث شيء غريب. وعندما أطلقوا الحلقات التي التقت في المركز بشكل متكرر، رأوا كرة من الاضطراب قائمة بذاتها تتشكل بعيدًا عن جدران الصندوق.
كان هذا إنجازًا في حد ذاته: "لم يعتقد أحد أن هذا ممكنًا من قبل، فالاضطراب جيد جدًا في خلط السوائل؛ إذا قمت بخلط الحليب مع القهوة، فإنك تحركه مرة أو مرتين فقط قبل أن يمتزج تمامًا، ولكن يمكننا الاحتفاظ به في مكانه، وهو أمر مثير للدهشة للغاية."
من شأن مجال الاضطراب القائم بذاته أن يسمح للعلماء بتتبع معالمه بدقة أكبر باستخدام أشعة الليزر والكاميرات السريعة المتعددة. يتضمن ذلك طاقتها وحلزونيتها (مقياس لمدى تشابك أو "عقد" الحلقة)، بالإضافة إلى الدفع والدفع الزاوي (أي ما يعادل زخم السائل والزخم الزاوي).
علاوة على ذلك، يمكنهم اللعب بها عن طريق تغيير المعلمات. يمكنهم تغيير ما إذا كانت الحلقة التي يتم تغذيتها هي دوامة في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة. يمكنهم تغيير الطاقة المدخلة، أو التوقف عن إضافة حلقات ومشاهدة الاضطراب يتبدد، أو تغيير حلزونية الحلقات ومراقبة كيفية تطور الاضطراب مع مرور الوقت.
قال أوين: "كيف يتبدد الاضطراب؟ كيف يتوسع؟ ماذا يتذكر؟ كيف تنتقل الطاقة عبر المقاييس؟ هل هناك أنواع مختلفة من الاضطراب؟ يمكننا أن نطرح جميع أنواع الأسئلة، وهذه بيئة فريدة لطرحها". "آمل حقًا أن يساعدنا هذا على فتح آفاق جديدة في هذا المجال.