Турбулентность в природе — это не просто хаотичные завихрения в воде, воздухе или плазме. Это сложные, постоянно меняющиеся процессы, которые возникают на самых разных масштабах: от океанских течений и атмосферных вихрей до движения межзвездного газа в галактиках и даже кровотока в сосудах человека. В отличие от простого хаоса, турбулентность — это система взаимодействующих вихрей, которые могут выстраиваться в крупные структуры или создавать устойчивые потоки.

В термоядерных реакторах турбулентность плазмы напрямую влияет на удержание энергии и перемешивание частиц топлива. Здесь все сложнее, чем в обычной жидкости: в плазме одновременно меняются плотность, температура, магнитные и электрические поля, создавая переплетение потоков и вихрей. Чтобы управлять термоядерным синтезом, нужно разобраться в этих процессах.

Раньше ученые изучали турбулентность, анализируя колебания отдельных величин — например, разбивали ее на волны и смотрели, как энергия перераспределяется между ними. Но если в плазме возникают локальные вихри или поля начинают сильно влиять друг на друга, такой подход не работает. Нужен был новый способ анализа — который покажет не только отдельные колебания, но и их совместное поведение.

Группа исследователей из Японии разработала метод MFSVD (многополевое сингулярное разложение), который позволяет разложить турбулентность на общие структурные паттерны — базисы, связывающие колебания разных величин: плотности, температуры, потенциала. Это как найти общий язык для нескольких полей, чтобы увидеть, как вместе они создают вихри и потоки.

Результаты опубликованы в издании Physical Review Research.

Но самое интересное — ученые применили к турбулентности концепции из квантовой механики:

• Энтропия фон Неймана (vNE) — показывает, насколько сложна и разнообразна структура турбулентности.
• Энтропия запутанности (EE) — измеряет, насколько сильно разные вихри влияют друг на друга.

Оба параметра рассчитываются через матрицу плотности — математический объект, который в квантовой физике описывает состояние системы.

Оказалось, турбулентность и квантовые процессы устроены удивительно похоже.

Применив этот метод к модели плазменной турбулентности, ученые обнаружили скрытый переход между состояниями, который не виден при обычном анализе энергии. Это резкое изменение структуры вихрей, которое может влиять на устойчивость потоков и удержание плазмы.

Более того, энтропия запутанности позволила одним числом описать, как именно разные паттерны обмениваются энергией — раньше для этого приходилось перелопачивать горы данных.

Почему это важно

• Метод работает даже при ограниченных данных — полезно для экспериментов, где нельзя поставить тысячи датчиков.
• Подход применим не только к плазме, но и к океанологии, климатологии, даже анализу транспортных потоков.
• Открывает новый путь к пониманию турбулентности через сочетание энергии и информации.

Следующий шаг — проверить метод на реальных экспериментах и углубить связь с квантовой теорией информации.

Этот метод — не просто абстрактная математика, а инструмент, который может ускорить создание термоядерных реакторов. Если мы научимся предсказывать переходы в турбулентности, то сможем лучше удерживать плазму и повысить КПД установок. Кроме того, подход упрощает анализ сложных систем — вместо того чтобы изучать каждое поле отдельно, мы видим их совместную динамику. Это экономит время и вычислительные ресурсы.

Пока метод проверен только на моделях, а не на реальной плазме. В экспериментах могут возникнуть неучтенные факторы — например, шумы датчиков или неидеальная геометрия магнитного поля. Кроме того, вычисление энтропий требует серьезных мощностей — для онлайн-мониторинга в реакторе придется искать оптимизации.

Ранее ученые продвинулись в понимании квантовой турбулентности.