Turbolenza dei superfluidi attraverso la lente dei buchi neri

Il Giornale Online

Studio scopre che il comportamento del flusso turbolento dei superfluidi è opposto a quello dei fluidi ordinari.
Jennifer Chu, MIT News Office
http://web.mit.edu/newsoffice/2013/superfluid-turbulence-through-the-lens-of-black-holes-0725.html
25 luglio 2013

Un superfluido si muove come un liquido completamente privo di attrito, apparentemente in grado di spingere se stesso senza alcun ostacolo per la tensione della gravità o quella superficiale. La fisica alla base di questi materiali – che sembrano sfidare le leggi convenzionali della fisica – ha affascinato gli scienziati per decenni. Pensate all'assassino T-1000 nel film “Terminator 2: Judgment Day” – un robot mutaforma di metallo liquido. O meglio ancora, si consideri un esempio reale: elio liquido. Quando raffreddato a temperature estremamente basse, l'elio mostra comportamenti impossibili in liquidi ordinari. Per esempio, il superfluido può passare attraverso i pori piccoli come una molecola e salire e sulle pareti di un bicchiere. Può anche rimanere in movimento per anni dopo aver fermato una centrifuga che lo contiene. Ora i fisici del MIT hanno messo a punto un metodo per descrivere matematicamente il comportamento dei superfluidi – in particolare, il turbolento flusso nei superfluidi. Pubblicano i loro risultati sulla rivista Science questa settimana.

“La turbolenza fornisce una finestra affascinante nella dinamica di un superfluido”, dice Allan Adams, professore associato di fisica al MIT. “Immaginate di versare il latte in una tazza di tè. Appena il latte tocca il tè, si lancia in vortici e mulinelli, che si estendono separandosi in filigrana. La comprensione di questo complesso, torbido stato turbolento è una delle grandi sfide della dinamica dei fluidi. Quando si tratta di superfluidi, la cui dinamica dipende dalla meccanica quantistica, il problema della turbolenza è un dado ancora più difficile da decifrare”.

Per descrivere la fisica alla base della turbolenza di un superfluido, Adams ei suoi colleghi hanno fatto paragoni con la fisica che regola i buchi neri. A prima vista, i buchi neri – estremamente densi, oggetti gravitazionalmente intensi che tirano in sè materia circostante e la luce – possono non apparire dal comportamento fluido. Ma i ricercatori del MIT hanno tradotto la fisica dei buchi neri in quella della turbolenza dei superfluidi, utilizzando una tecnica chiamata dualità olografica.

Si consideri, ad esempio, un'immagine olografica su una copertina. I dati o pixel, dell'immagine sono su una superficie piana, ma possono apparire tridimensionali se visti da certe angolazioni. Un ingegnere concettualmente, potrebbe costruire una effettiva replica 3-D sulla base delle informazioni, o dimensioni, nell' ologramma 2-D.

“Se facciamo un ulteriore passo avanti, in un certo senso si possono considerare varie teorie quantistiche come un'immagine olografica di un mondo con una dimensione in più”, dice Paul Chesler, un postdoc presso il Dipartimento di Fisica del MIT. Prendendo questa linea cosmica di ragionamento, Adams, Chesler e colleghi hanno usato la dualità olografica come un “dizionario” per tradurre la fisica molto ben caratterizzata dei buchi neri nella fisica della turbolenza superfluida.

Con sorpresa dei ricercatori, i loro calcoli hanno dimostrato che i flussi turbolenti di una classe di superfluidi su una superficie piana non si comportano come quelli di fluidi ordinari in 2-D, ma più come fluidi 3-D, che si trasformano da relativamente uniformi, in grandi strutture e poi sempre più piccole strutture. Il risultato è molto simile a fumo di sigaretta: da una punta scottante, il fumo dispiega in un unico flusso che si disperde rapidamente in vortici più piccoli. I fisici si riferiscono a questo fenomeno come “cascata di energia”.
“Per i superfluidi, l'esistenza di tali cascate di energia è una questione aperta”, dice Hong Liu, professore associato di fisica al MIT. “Le persone hanno fatto tutti i tipi di dichiarazioni, ma non c'è stato alcun tipo di prova schiacciante che una tale cascata esista. In una classe di superfluidi, abbiamo prodotto prove molto convincenti per la direzione di questo tipo di flusso, che altrimenti sarebbe molto difficile da ottenere.”

Il potere della dualità

La dualità olografica è un principio matematico prima proposto nel 1997 dal fisico Juan Maldacena. La teoria può essere descritta immaginando un lago teorico che è diviso in due strati: una sovrastante superficie 2-D e un interno 3-D. La teoria di Maldacena presuppone che sulla superficie del lago, non ci sia gravità – un ambiente che può essere meglio descritto dalla teoria delle particelle. D'altra parte, l'interno sottostante è pensato essere costituito da minuscole corde che vibrano, si fondono e rompono per creare materia e gravità – un ambiente che può essere matematicamente spiegato dalla teoria delle stringhe.

La teoria della dualità olografica di Maldacena dimostra che i comportamenti nell'interno 3-D, possono essere matematicamente tradotti in comportamenti sulla superficie 2-D a gravità zero. Liu ei suoi colleghi hanno applicato le equazioni della dualità olografica alla fisica dei buchi neri – oggetti che sono vincolati da forze gravitazionali estreme – e hanno tradotto queste forze nel comportamento della turbolenza superfluida a gravità zero, che è altrimenti considerata incredibilmente difficile da caratterizzare.

“La potenza di questa dualità è che le domande difficili su un lato possono diventare molto più facili dall'altra parte”, dice Liu. Per effettuare una traduzione accurata, i ricercatori hanno prima cercato un buco nero la cui materia circostante fosse simile alla turbolenza casuale di un superfluido. Alla fine si sono stabiliti su un tipo di buco nero circondato da un vortice caotico di materia ed elettromagnetismo. I ricercatori hanno studiato la complessa fisica di questo particolare tipo di buco nero, risolvendo le equazioni per caratterizzarne il comportamento. Poi hanno applicato modelli della dualità olografica per tradurre la fisica del buco nero nei flussi turbolenti dei superfluidi.

“E 'come esistesse un anello di decodifica che prende informazioni su un buco nero e le mappa su informazioni della meccanica dei fluidi”, dice Chesler.

Dal cosmo alla meccanica dei fluidi

Attraverso i loro calcoli, i ricercatori sono stati in grado di caratterizzare come l'energia fluisca attraverso un superfluido in flussi turbolenti. In normali fluidi, l'energia si muove diversamente a seconda che il liquido scorra su una superficie piana 2-D o in un corpo profondo, come un fiume. Gli scienziati hanno già scoperto che i liquidi 2-D tendono a iniziare come strutture relativamente piccole, ma appena scorrono, la loro energia si combina per formare strutture sempre più grandi – come i tornado possono fondersi per formare uragani.

Al contrario, i liquidi in 3-D si comportano in maniera opposta, partendo da grandi strutture e formando strutture più piccole, proprio come la dispersione del fumo di sigaretta. Nel caso dei superfluidi, Chesler ed i suoi colleghi hanno trovato che in 2-D, i superfluidi si comportano diversamente dai fluidi ordinari in 2-D, più come fluidi ordinari in 3-D, disperdendo l'energia su scale sempre più piccole. “Si potrebbe dire che la turbolenza sia l'ultimo grande problema irrisolto della fisica classica”, spiega Andrew Strominger, un professore di fisica all'Università di Harvard, che non è stato coinvolto nella ricerca. “In un notevole sviluppo, Chesler, Liu e Adams hanno recentemente trasformato questo problema in uno equivalente che coinvolge il flusso di energia in un buco nero. Il nuovo quadro … è molto promettente per nuove intuizioni fondamentali”.

Vedi: http://www.altrogiornale.org/news.php?extend.6604
Reprinted with permission of MIT News http://web.mit.edu/newsoffice/

Turbolenza dei superfluidi attraverso la lente dei buchi neri ultima modifica: 2014-01-09T22:22:30+00:00 da Richard
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Noi siamo l'incarnazione locale di un Cosmo cresciuto fino all'autocoscienza. Abbiamo incominciato a comprendere la nostra origine: siamo materia stellare che medita sulle stelle. (Carl Sagan)