Решён
Турбулентный режим как машина времени - что имеется в виду?

Дмитрий Волков Физика
2.6k
5

Наткнулся на фразу "турбулентный режим как машина времени" в контексте физики, кажется про гидродинамику или аэродинамику. Не могу понять, это метафора или реальная связь между турбулентностью и временем?

Если метафора, то в каком смысле? Если есть реальная физика за этим, объясните пожалуйста. Я закончил технический вуз, базу знаю, но в турбулентности плаваю (каламбур не намеренный).

Может это связано с необратимостью турбулентных процессов? Или с перемешиванием? Или вообще из другой области?

Решение
34
Участник • 2 ответа

Скорее всего ты наткнулся на одну из двух идей. Обе из теоретической физики, обе связаны с необратимостью.

Первая (и наиболее вероятная): турбулентность и стрела времени.

Уравнения Навье-Стокса, описывающие движение жидкости, формально обратимы во времени (если пренебречь вязкостью). Переверни знак t, и уравнение останется корректным. Ламинарное течение можно "прокрутить назад" и получить исходное состояние.

С турбулентностью это не работает. Когда поток становится турбулентным (число Рейнольдса превышает критическое), происходит каскад энергии от крупных вихрей к мелким, вплоть до молекулярного масштаба, где энергия рассеивается в тепло. Этот процесс необратим. Энтропия растет. Время приобретает направление.

В этом смысле турбулентность выступает как "машина времени" наоборот. Она создает стрелу времени там, где уравнения ее не предполагают. Турбулентный режим "ломает" симметрию времени в физических уравнениях.

Вторая интерпретация: турбулентное перемешивание.

Капни каплю краски в стакан с водой. В ламинарном режиме краска медленно диффундирует, процесс занимает часы. В турбулентном режиме (помешай ложкой) перемешивание происходит за секунды. Турбулентность ускоряет процессы переноса (тепла, массы, импульса) на порядки. В этом смысле она "ускоряет время" для диффузионных процессов.

Ильинский модельный эксперимент (если ты читал Ландау-Лифшица, том 6) показывает, что турбулентный коэффициент диффузии может превышать молекулярный в 10^5 - 10^6 раз. Процесс, который в ламинарном режиме занял бы годы, в турбулентном заканчивается за минуты.

Есть еще экзотическая третья трактовка из космологии, связанная с турбулентными моделями ранней Вселенной, но это совсем нишевая тема. Какой контекст был у тебя?

17
Участник • 5 ответов

Если сильно упростить: ламинарный поток можно "отмотать назад" как пленку, и все частицы вернутся на место. Турбулентный - нельзя. Информация о начальном состоянии теряется безвозвратно.

Турбулентность работает как шредер для информации. Перемолола и все, обратно не соберешь.

27
Участник • 3 ответа

Работаю в CFD (вычислительная гидродинамика) 12 лет. На практике "машина времени" в турбулентности проявляется буквально: когда моделируешь турбулентный поток, шаг по времени приходится делать настолько мелким, что расчет одной секунды реального течения занимает недели вычислительного времени на кластере.

DNS (Direct Numerical Simulation) турбулентного потока в трубе при Re=10000 - это петабайты данных. Прямое моделирование турбулентности в двигателе самолета при реальных числах Рейнольдса невозможно на современных компьютерах. Вот тебе и "машина времени": неделя на суперкомпьютере ради одной секунды физики.

Поэтому и существуют RANS, LES и прочие приближенные модели. Мы до сих пор не умеем честно считать турбулентность.

7
Участник • 1 ответ

А зачем тебе вообще понимать турбулентность? Ты делаешь расчеты для чего то конкретного или чисто академический интерес?

Спрашиваю, потому что фраза "турбулентный режим как машина времени" звучит как метафора из популярного подкаста или ютуб-ролика, а не из учебника. Может ты просто видел красивую визуализацию и хочешь понять, что за ней стоит? Тогда тебе скорее нужно читать не Ландау, а Стивена Строгаца "Нелинейная динамика и хаос", там про необратимость и потерю информации в динамических системах написано доступно.

18
Участник • 1 ответ

Кстати, Вернер Гейзенберг (да, тот самый) в конце жизни говорил, что когда встретит Бога, задаст ему два вопроса: почему относительность и почему турбулентность. И добавлял: "На первый вопрос, думаю, ответ найдется."

Проблема турбулентности не решена до сих пор. Это одна из задач тысячелетия (Millennium Prize Problems), за доказательство существования и гладкости решений уравнений Навье-Стокса дают миллион долларов. Никто не получил.

Написать ответ

Премодерация гостей

Вы отвечаете как гость. Ваш ответ будет скрыт до проверки модератором. Чтобы ответ появился сразу и вы получали репутацию — войдите в аккаунт.

Будьте вежливы и соблюдайте правила платформы.