Les phénomènes turbulents, bien que présents dans de nombreux domaines de notre quotidien, restent mystérieux et compliqués à caractériser. Une équipe de chercheurs de l’Université de Cambridge dévoile une étude prometteuse sur la turbulence en utilisant un gaz quantique ultrafroid.
Les systèmes en équilibre bénéficient de prédictions solides grâce à la thermodynamique. Cependant, la description des systèmes hors équilibre, tels que les phénomènes turbulents, demeure un défi majeur. Ces phénomènes sont couramment observés, allant de la circulation sanguine aux avions.
Le condensat de Bose-Einstein (BEC), une forme de matière qui se manifeste à des températures proches du zéro absolu, est au cœur de cette recherche. Les chercheurs ont introduit des vibrations contrôlées dans ce gaz quantique, générant un enchaînement d’ondes rappelant les fractales, nommé cascade turbulente. Cette cascade présente des propriétés distinctes des états d’équilibre.
Des résultats novateurs et une relation universelle
L’étude se distingue par sa capacité à mesurer de manière systématique les propriétés des cascades turbulentes. Elle vise également à établir une équation d’état (EoS) pour ces cascades, un objectif longtemps insaisissable pour d’autres systèmes non équilibrés.
Les résultats publiés dans « Nature« montrent que la caractéristique de l’état turbulent dépend uniquement de l’ampleur de l’énergie introduite et non d’autres facteurs externes. « J’ai toujours eu le sentiment qu’il y avait une structure générale dans notre turbulence mesurée,” confie Lena Dogra, auteure principale de l’étude.
« Les méthodes systématiques de compréhension des systèmes à l’équilibre sont bien établies. Ce travail constitue une étape vers l’extension de ces approches aux systèmes hors équilibre, qui sont généralement beaucoup plus difficiles à comprendre« , a ajouté le professeur Zoran Hadzibabic, du Cavendish Laboratory.
L’aspect le plus intéressant de cette recherche est de comprendre comment un système chaotique peut être encapsulé dans une simple relation universelle. Bien qu’il s’agisse d’une étape vers l’équation d’état (EoS), l’étude des transitions entre les états turbulents est captivante en soi.
Les chercheurs aimeraient savoir ce qui se passe pendant la période transitoire qui suit directement la modification de l’agitation et explorer la manière dont les mesures sont liées aux prédictions concernant la dynamique que subit un système sur le chemin de l’équilibre à un état éloigné de l’équilibre et inversement, ce qui implique souvent des turbulences.
Enjeux et perspectives futures
L’étude rappelle la loi universelle des gaz parfaits pour les états d’équilibre, mais s’appliquant ici à des cascades turbulentes hors équilibre. Les chercheurs ont également découvert une formule universelle englobant différentes propriétés internes du BEC.
Les implications de cette recherche pourraient transformer notre compréhension des systèmes non équilibrés. Cependant, certaines différences notables avec les théories existantes suggèrent d’autres pistes d’investigation pour l’avenir.
En synthèse
Les travaux menés par l’Université de Cambridge offrent un éclairage inédit sur les systèmes turbulents hors équilibre grâce à l’exploitation du condensat de Bose-Einstein. Toutefois, malgré les résultats prometteurs, le chemin vers une compréhension complète de la turbulence reste semé d’obstacles et d’énigmes à résoudre.
Pour une meilleure compréhension
- Qu’est-ce qu’un système hors équilibre ?
Un système hors équilibre est un système qui subit des changements continus et ne parvient pas à un état stable ou prévisible à long terme. Contrairement aux systèmes en équilibre, leur comportement est plus complexe à prévoir. - Qu’est-ce que la turbulence ?
La turbulence est un phénomène fluide caractérisé par des mouvements chaotiques et irréguliers. Elle est omniprésente, se manifestant dans des scénarios allant des flux sanguins dans le corps humain aux courants d’air autour d’un avion en vol. - Comment le condensat de Bose-Einstein (BEC) est-il lié à l’étude de la turbulence ?
Le BEC, une forme de matière obtenue à des températures proches du zéro absolu, a été utilisé par les chercheurs pour étudier la turbulence. Grâce à ses propriétés uniques, il a permis d’explorer la turbulence d’une manière innovante et de déduire des relations universelles. - En quoi consiste une cascade turbulente ?
Une cascade turbulente se réfère à la transmission d’énergie d’une grande échelle à une plus petite échelle dans un fluide ou un gaz. Dans cette étude, le BEC a été sujet à des vibrations, générant un enchaînement d’ondes, rappelant les fractales, nommé cascade turbulente. - Quelle est la principale découverte de cette recherche ?
L’étude a permis d’établir une équation d’état pour les cascades turbulentes. Elle montre que la caractéristique de l’état turbulent dépend uniquement de l’ampleur de l’énergie introduite, et non d’autres facteurs externes comme la fréquence de vibration ou la forme du conteneur. - Comment cette recherche pourrait-elle être appliquée dans la vie quotidienne ?
Une meilleure compréhension de la turbulence peut avoir des implications dans divers domaines, de la conception d’avions plus efficaces à l’amélioration de systèmes de circulation sanguine artificielle en médecine. - Quelle est la prochaine étape après cette découverte ?
Bien que la recherche ait apporté des éclaircissements majeurs, il reste des différences entre les résultats obtenus et les théories existantes. La prochaine étape consiste à explorer ces différences, déterminer leurs origines et affiner davantage la compréhension de la turbulence. - Qu’est-ce que l’équation de Gross-Pitaevskii (GPE) ?
La GPE est une équation qui décrit le condensat de Bose-Einstein comme un objet classique. Elle est utilisée pour modéliser de nombreux systèmes allant des fibres optiques aux ondes gravitationnelles sur une surface d’eau. - Comment les découvertes actuelles se comparent-elles aux théories basées sur la GPE ?
Bien que les résultats aient de nombreuses similitudes avec les théories basées sur la GPE, il existe des divergences. Ces divergences pourraient provenir soit de l’inadéquation de la théorie approximative de la turbulence, soit d’effets quantiques non capturés par la GPE.
Article : « Universal equation of state for wave turbulence in a quantum gas » – DOI : 10.1038/s41586-023-06240-z
