Открытие поможет сделать более точные прогнозы погоды и использовать теорию турбулентности в разных областях физики, например, в астрофизике для расчета траекторий и скорости распространения звуковых волн во Вселенной.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Турбулентность — это сложное и беспорядочное движение жидкостей, газов или волн в различных физических системах. Например, турбулентность может возникнуть на поверхности океана из-за ветра и течений. Также она может произойти при рассеивании света через линзы в оптике или при распространении звуковых волн в определенных средах, например, в жидком гелии.

В 1970-х годах советские ученые предположили, что при сильных колебаниях звуковых волн возникает звуковая турбулентность. Эта теория применима и к другим волновым системам, таким как волны в ионосферах звезд и планет-гигантов или гравитационные волны в ранней Вселенной. Раньше было сложно предсказать, как распространяются нелинейные звуковые и другие волны из-за большой вычислительной сложности.

Ученые из Сколковского института науки и технологий, Института электрофизики Уральского отделения РАН и Физического института имени П. Н. Лебедева РАН впервые решили уравнение, которое описывает распространение звуковых волн в турбулентности. Они доказали теорию советских ученых.

Для расчетов ученые использовали видеокарты. Решения для частей уравнения, описывающего распространение звуковых волн, они нашли параллельно на четырех разных видеокартах, установленных на одном компьютере. Вместо огромного и дорогого суперкомпьютера ученые использовали небольшой персональный компьютер и пришли к точному численному решению.

Ученые проверили правильность своего решения, используя компьютер для моделирования распространения звуковых волн в особой среде, которая похожа на жидкий гелий при температуре около -270 °C.

В таких условиях гелий становится квантовой жидкостью, которая обладает особыми свойствами — сверхтекучестью и сверхпроводимостью. Это значит, что она может проводить электричество без сопротивления и течь без трения.

Такие жидкости используются в квантовых компьютерах, поездах на магнитной подушке и других высокотехнологичных устройствах. Сверхтекучий гелий также применяется в ядерной энергетике.

Теория турбулентности — важное открытие, которое можно сравнить с таблицей Менделеева. Она позволяет точно предсказывать свойства разных типов турбулентности: звуковой, гравитационной, магнитногидродинамической.

Теория применима к любой волновой системе. Например, она уже используется для прогнозирования погоды и изменений климата. Это помогает делать более точные прогнозы.

Одна из главных нерешенных задач современной физики — разгадка природы турбулентности. Например, только с развитием теории турбулентности стало возможным точно предсказывать погоду.

Мы планируем исследовать другие волновые системы, например, океанические волны большой амплитуды. Удивительно, но у звуковых волн и волн на поверхности океана много общего.

При больших амплитудах морские волны могут опрокидываться. Этот процесс напоминает формирование акустической ударной волны. При опрокидывании волн возникают области с очень высоким давлением или плотностью энергии. Сейчас есть гипотеза, что подобные коллапсы разной природы приводят к появлению турбулентности, — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Евгений Кочурин, кандидат физических наук, старший научный сотрудник лаборатории нелинейной динамики Института электрофизики Уральского отделения РАН и научный сотрудник Лаборатории интегрируемых систем и турбулентности Центра перспективных исследований имени И. М. Кричевера Сколтеха.

Ранее ученые заявили, что понимание динамики потоков поможет снизить энергозатраты буквально во всем.

На иллюстрации: Плотность газа в режиме слабой турбулентности, когда амплитуды звуковых волн малы (слева), и в состоянии сильной турбулентности, при которой акустическая турбулентность представляет собой набор случайных ударных волн (справа). Источник: Евгений Кочурин.