Учёный из ТГУ предложил новый подход к изучению квантовой турбулентности

Сценарий развития квантовой турбулентности на начальной стадии описал профессор института математики, физики и информационных технологий Тольяттинского государственного университета (ТГУ) Сергей Талалов. Его выводы опубликованы в научном журнале Physics of Fluids*. Это уже четвертая статья тольяттинского учёного, посвящённая вопросам изучения квантовой механики вихрей за последние два года. Все четыре статьи были опубликованы в высокорейтинговых научных журналах, что показывает интерес научного сообщества к предлагаемой теории. Исследования изложены на английском языке.

В первых двух работах Сергей Талалов предложил новый подход в квантовании вихревых колец. Квантование – процесс сопоставления классической физики с квантовой системой, например законов маятника с колебаниями молекул, учитывая при этом квантовые эффекты. В исследованиях 2023 года учёный применил полученные в 2021–2022 годах результаты к некоторым аспектам теории квантовой турбулентности.

– Турбулентность – очень сложное явление даже в классической физике. До сих пор нет чётких представлений о том, как она возникает, – поясняет Сергей Талалов. – Один из наиболее выдающихся физиков-теоретиков XX века Вернер Гейзенберг** говорил по этому поводу, что хотел бы задать Богу два вопроса: о причине относительности и о причине турбулентности. «Но думаю, что Господь может ответить мне только на первый из них», – произнес Гейзенберг. Одна из известных моделей квантовой турбулентности описывает её как клубок вихрей. Однако квантование самого вихря, а также описание взаимодействия вихрей на квантовом уровне уже само по себе является проблемой. Изучение начальной стадии процесса, когда турбулентность появляется из одиночного вихря, приближает нас к пониманию того, как зарождается это явление.

Так, в последних исследованиях учёный вычислил матрицу плотности развивающегося турбулентного потока и предложил общее выражение для статистической суммы турбулентного потока – важных в квантовой механике величин.

Несмотря на то, что исследование носит фундаментальный, а не прикладной характер, более глубокое понимание квантовой турбулентности может продвинуть науку в описании классической турбулентности. Эти знания в будущем позволят улучшить инженерные решения в областях, где поведение жидкостей и газов, таких как вода и воздух, является ключевым вопросом.

– Одна из наиболее известных квантовых систем, которая сегодня имеет практическое применение, это лазер, или оптический квантовый генератор. Уравнения, описывающие этот процесс, были выведены в 1930-х годах. Экспериментальную установку, демонстрирующую работу лазера, собрали в 1960-е годы, но сфера её применения ещё долгое время оставалась неясной. Это было «готовое решение ещё не известных проблем». Сегодня лазер используется в самых разных отраслях науки и техники, в быту. Однако потребовались десятилетия, чтобы фундаментальные исследования перешли в практическую плоскость, – поясняет Сергей Талалов.

Исследования Сергея Талалова, посвящённые данным вопросам, изложены в статьях:

1.Small oscillations of a vortex ring: Hamiltonian formalism and quantization

(Малые колебания вихревого кольца: гамильтонов формализм и квантование).

European Journal of Mechanics / Fluids. V. 92. pp. 100–106. (2022);

DOI: 10.1016/j.euromechflu.2021.11.008

2. Closed vortex filament in a cylindrical domain: Circulation quantization (Замкнутая вихревая нить в цилиндрической области: квантование циркуляции).

Physics of Fluids V.34. 041702 (2022); DOI: 10.1063/5.0086973

3.Towards quantum turbulence theory: A simple model with interaction of vortex loops (К теории турбулентности: простая модель с взаимодействием вихревых петель).

Physical Review Fluids. V. 8. No 3. PP. 034607-1–034607-12. (2023);

DOI: 10.1103/PhysRevFluids.8.034607

4. The turbulence development at its initial stage: a scenario based on the idea of vortices decay (Развитие турбулентности на начальной стадии: сценарий, основанный на идее распада вихрей). Physics of Fluid V.35. (2023); DOI: 10.1063/5.0145537

*Входит в первый квартиль Q1 (высокорейтинговые журналы) крупнейшей базы данных научной информации Scopus.

** Вернер Карл Гейзенберг (1901–1976) – один из создателей квантовой механики.