fonte: doi: 10.1126 / science.aam6897 / Irvine Lab
É hora de alimentar o blob. Fervendo e voraz, ele absorve oito porções do tamanho de um prato a cada poucos segundos.
A bolha é uma nuvem de turbulência em um grande tanque de água no laboratório do físico William Irvine da Universidade de Chicago. Ao contrário de todos os outros casos de turbulência que já foram observados na Terra, a bolha de Irvine não é uma mancha bagunçada em um fluxo de líquido, gás ou plasma, ou contra uma parede. Em vez disso, a bolha é autocontida, uma esfera turbulenta e irregular que deixa a água ao redor quase parada. Para criá-lo e sustentá-lo, Irvine e seu aluno de graduação Takumi Matsuzawa devem atirar repetidamente “vortex loops” – essencialmente a versão aquosa de anéis de fumaça – nele, oito loops por vez. “Estamos construindo turbulência anel a anel”, disse Matsuzawa.
Irvine e Matsuzawa controlam rigidamente os loops que são os blocos de construção da bolha e estudam a turbulência confinada resultante de perto e em comprimento. A bolha pode gerar insights sobre a turbulência que os físicos vêm perseguindo há dois séculos – em uma busca que levou Richard Feynman a chamar a turbulência de o problema não resolvido mais importante da física clássica. (A turbulência quântica também se tornou um problema importante.) Desembaraçar a turbulência também pode ser extraordinariamente impactante, visto que desempenha um grande papel nas estrelas, aviação, fusão nuclear, clima, mudanças no núcleo da Terra, turbinas eólicas e até mesmo na saúde humana – arterial o fluxo pode se tornar perigosamente turbulento.
Se a bolha produzir grandes avanços na turbulência, ela se somará à série crescente de descobertas surpreendentes e influentes que Irvine e seus alunos produziram na física do que pode ser vagamente chamado de material giratório – sistemas compostos de objetos giratórios, fluidos e até Campos.
Entre as descobertas de Irvine, o que chama a atenção é a contribuição do laboratório para a dinâmica dos fluidos, uma área que tem sido notória por seu progresso dolorosamente lento, em parte por causa da dificuldade de coletar bons dados. A descoberta mais importante envolve provar uma nova lei fundamental que governa os tubos de correntes semelhantes a tornados, conhecidos como vórtices. A lei ilumina como esses fenômenos fundamentais se formam, interagem, evoluem e decaem. “A ciência muitas vezes envolve encontrar uma maneira de ajustar ou preencher uma pequena lacuna no que foi feito”, disse Daniel Lathrop, físico da Universidade de Maryland especializado em dinâmica não linear que está familiarizado com o trabalho de Irvine. “William pergunta o que ele pode fazer que é completamente diferente do que foi feito. É o tipo de trabalho que pode abrir novos campos. ”
Mas agora que seu domínio dos vórtices o levou à bolha, Irvine sente uma presa ainda maior – e mais perigosa – na água. “Por causa da ausência de bons dados e teoria, a turbulência tem sido considerada o lugar onde as carreiras vão morrer”, disse Irvine. “Eu me encontro cada vez mais nisso.”
Uma Nova Reviravolta
Em 2006, aos 26 anos, o italiano Irvine já havia concluído dois doutorados distintos em óptica quântica, um em física experimental na Universidade de Oxford e outro em experimento e teoria na Universidade da Califórnia, em Santa Barbara. Ele então decidiu que estava farto de realizar pequenos avanços nas áreas esotéricas da física e se preparou para começar um pós-doutorado na Universidade de Princeton no campo mais aberto da neurociência. Mas então um amigo mencionou o trabalho que o físico Paul Chaikin da Universidade de Nova York estava fazendo com “matéria mole”, como espumas, coloides, géis, cristais líquidos e outros tipos menos típicos de matéria não sólida.
Chaikin e outros no campo nascente estavam obtendo materiais para exibir propriedades nunca antes vistas, como autorreplicação e automontagem – e, ao contrário dos físicos convencionais de matéria condensada, eles estavam trabalhando com seus materiais em temperatura ambiente em béqueres um pouco antes seus olhos, em vez de em geladeiras perto do zero absoluto. Ainda mais importante, do ponto de vista de Irvine, eles estavam dando grandes saltos em um território inexplorado. “É um campo onde as pessoas ainda podem fazer descobertas fundamentais”, disse ele. “É onde você constrói experimentos não para confirmar a resposta, mas porque ninguém sabe qual é a resposta.”
Irvine saltou para o laboratório de Chaikin como um pós-doutorado, trabalhando em coloides ou partículas suspensas em líquido. Mas um dia, durante uma caminhada no centro de Manhattan, Irvine notou alguém soprando anéis de fumaça e imediatamente correu de volta ao laboratório para tentar construir uma engenhoca que pudesse produzir estruturas mais complexas a partir da fumaça. Ele não foi muito longe e deixou o projeto de lado. Mas ele não se esqueceu desses anéis, e quando se juntou ao corpo docente da Universidade de Chicago, ele começou a trabalhar em voltas de vórtice na água, sem se intimidar – na verdade, energizado – por não saber nada sobre o assunto. “Eu nunca tinha feito um curso de mecânica dos fluidos”, admitiu. “Aprendi aqui quando tive de ensinar.”
O que ele aprendeu foi que um vórtice é basicamente uma corrente de torção semelhante a um tubo em um gás, líquido ou outro meio, sendo um tornado o exemplo mais familiar. Os vórtices podem ser notavelmente estáveis, mas também são surpreendentemente mutáveis. Como em um anel de fumaça, suas extremidades podem ser conectadas para formar um loop, e vários loops de vórtice podem ser vinculados, mesclados e até mesmo amarrados. (Os golfinhos podem superar os fumantes nesse aspecto, soprando loops de vórtice aparentemente apenas para se divertir.)
Uma razão pela qual os físicos querem saber mais sobre as propriedades dos vórtices é que os vórtices surgem rotineiramente em todos os tipos de campos de partículas, incluindo campos elétricos e magnéticos. Um exemplo simples: uma corrente percorrendo um fio cria um vórtice de campo magnético ao redor do fio – uma espécie de tornado de magnetismo que faria com que uma partícula magnética hipotética perto do fio circulasse o fio, assim como um pequeno volume de água faria carregada em um redemoinho. (A partícula magnética é hipotética, porque tais “monopolos” não parecem existir na natureza.)
Uma das primeiras descobertas de Irvine, com o então estudante graduado Hridesh Kedia, foi mostrar como campos de luz podem ser amarrados em nós. Mas Irvine estava particularmente interessado em água. Fazer um vórtice semelhante a um tornado na água é fácil – qualquer um pode fazer isso com uma garrafa de refrigerante. Mas como fazer loops e formas mais complexas e combinações de vórtices, incluindo nós? Fazer isso seria crucial para resolver questões de longa data sobre uma propriedade fundamental dos vórtices chamada helicidade. A helicidade de vórtice foi definida há muito tempo como o número total de ligações e nós em um vórtice ou em um grupo conectado de vórtices. Links e nós são características topológicas, pois não mudam quando os vórtices são esticados, comprimidos ou deformados.
Por meio século, sabe-se que a helicidade do vórtice é conservada em um fluido ideal – basicamente, um fluido que não tem viscosidade, o que significa que não oferece resistência a um objeto que o atravessa. Se tal fluido existisse, então independentemente das mudanças que um vórtice ou grupo de vórtices ligados no fluido passasse, o número de elos e nós somaria o mesmo número.
A questão de saber se alguma forma dessa lei poderia ser aplicada a fluidos e gases do mundo real permaneceu teimosamente resistente a todas as análises e experimentos. No entanto, essa lei de conservação seria imensamente útil para meteorologistas e outros que lidam com vórtices – o mesmo amplo espectro de pesquisadores que lidam com turbulência.
A busca por insights sobre a conservação da helicidade estava ligada a outra questão fundamental: para onde vai a “torção” nos vórtices quando eles finalmente decaem, como sempre acontece? A energia rotacional e o momento devem ser conservados, mas não estava claro como o turbilhonamento macro de um vórtice é transferido para escalas cada vez menores, em última análise, dissipando-se no nível molecular. A compreensão desse mecanismo provavelmente lançaria luz sobre a conservação da helicidade e vice-versa.
Para criar uma plataforma experimental que pudesse fornecer algumas respostas, Irvine se valeu de um de seus hobbies. Ele tem uma veia imensamente rica para explorar lá: ele fala quatro idiomas, toca um violoncelo mediano (e estudou três outros instrumentos), é um escalador de rocha moderadamente talentoso, vela e é um piloto de avião comercial que voa acrobacias por diversão. (“Se você faz algo realmente bom em ciência”, explicou ele, “provavelmente é porque você teve o cuidado de reservar um tempo para brincar.”) Foi esse último passatempo que o preparou para ter uma ideia para produzir vórtices de água. Os pilotos estão bem cientes de que vórtices ferozes se formam nas pontas das asas dos aviões em aceleração e se separam dali. Por que não tentar fazê-los em água em forma de asa, ou hidrofólio?
Contratando uma impressora 3D capaz de produzir um novo hidrofólio de formato arbitrário em oito horas, Irvine experimentou centenas de formas com seu pós-doutorado na época, Dustin Kleckner, e mais tarde com seus alunos de graduação Martin Scheeler e Robert Morton. Para encontrar uma maneira de acelerar os hidrofólios com o equivalente a 100 vezes a força da gravidade, os pesquisadores exploraram de tudo, desde explosivos a canhões ferroviários, finalmente pousando no que Irvine chama de “arma de batata” – um poderoso pistão movido por gás comprimido. Para acomodar esta e outras engenhocas Wile E. Coyote, junto com um tanque de água gigante, Irvine ocupou um grande espaço três andares abaixo do solo em um prédio de laboratório, derrubando um teto de 14 pés e todas as entranhas do edifício acima dele para obter um espaço de 30 pés de altura no qual ele pudesse colocar um pequeno guindaste.
Finalmente, os hidrofólios começaram a produzir anéis perfeitos de até 30 centímetros de largura. Eles até criaram anéis interligados e vórtices com nós. Kleckner e Scheeler cercaram o tanque de água com tomografia de varredura a laser de alta velocidade e câmeras de vídeo. Minúsculas bolhas de gás e partículas traçadoras foram lançadas no tanque para que pudessem ser apanhadas pelas correntes rodopiantes, permitindo aos pesquisadores ver e medir de perto a evolução dos vórtices. Então eles tiveram uma chance de sorte: eles começaram a escrever nos hidrofólios com um Sharpie para ajudar a identificá-los, mas a tinta sangrou na água e ficou presa nos vórtices, onde fluorescia na luz do laser e oferecia uma imagem uniforme mais claras do que as fornecidas pelas bolhas. Desenhando propositalmente traços de tinta Sharpie – e mais tarde sua própria tinta especialmente formulada – nos lugares certos dos hidrofólios, os pesquisadores descobriram que podiam destacar quaisquer segmentos ou características dos vórtices resultantes, como a linha central de um vórtice, que de outra forma era difícil para identificar.
Em 2017, o esforço para criar um circo de vórtice subaquático experimental valeu a pena com a prova do que acontece com a helicidade no mundo real. Acontece que os vórtices do mundo real não se comportam como fluidos ideais: o número de elos e nós nos vórtices nem sempre é conservado à medida que os vórtices evoluem. Mas Irvine acrescentou dois novos fatores à mistura: “contorção” e “torção”. Imagine uma mangueira reta, representando o comprimento de um vórtice reto como um tornado. A contorção reflete a mangueira assumindo uma forma enrugada, como a de um Slinky ou, em um caso mais extremo, tornando-se enrolada. Torcer significa que as extremidades da mangueira são torcidas em direções opostas, mesmo quando a mangueira permanece reta. Contorções e torções não são recursos topológicos, estritamente falando, mas são recursos “geométricos”, a diferença essencial sendo que os recursos geométricos podem ser confinados a uma seção particular de uma entidade, enquanto os recursos topológicos são propriedades globais.
Ao mesmo tempo, os alunos de Irvine notam que ele permanece profundamente privado, quase ao ponto de ser misterioso. Eles ficaram surpresos ao descobrir recentemente que ele é piloto há muito tempo.
Os ziguezagues excêntricos e improvisados no início de sua carreira, junto com a variedade de hobbies desafiadores, sugerem que Irvine está constantemente procurando a combinação adequada para suas consideráveis habilidades. Chaikin disse que entende por que Irvine se esforça tanto. “William é o melhor pós-doutorado que já tive”, disse ele. “Excepcionalmente, ele tem tanta facilidade em fazer teoria para descobrir quais experimentos precisam ser feitos quanto ele é em fazer os experimentos. Ele pode abrir as coisas em diferentes campos. ”
fonte: doi: 10.1126 / science.aam6897 / Irvine Lab
Os amplos interesses de Irvine se refletem na variedade de projetos em andamento em seu laboratório atualmente. Além do trabalho de vórtice, ele e seus alunos têm estado ocupados explorando a “mecânica topológica”, que envolve descobrir propriedades estranhas e quânticas em sistemas compostos por um grande número de objetos rotativos idênticos. Por exemplo, ele e seus alunos construíram matrizes de giroscópios que conduzem ondas sonoras de determinadas frequências apenas em suas bordas e apenas em uma direção, assim como dispositivos mecânicos quânticos “isolantes topológicos” conduzem correntes elétricas apenas em suas bordas. (Uma explicação muito, muito grosseira: a rotação das partículas tende a direcionar as vibrações que compõem as ondas sonoras em direção à borda e ao redor em uma direção específica.) O laboratório também desenvolveu várias misturas de partículas magnéticas e fluidos que têm “Viscosidade ímpar” – um tipo de viscosidade sem atrito que permite que as ondas viajem pela superfície da mistura sem perder energia.
Como esses materiais são muito mais simples, melhor compreendidos e mais fáceis de criar e experimentar do que os dispositivos da mecânica quântica cujos comportamentos eles imitam, Irvine acredita que um dia podem ajudar a iluminar o lado da mecânica quântica das coisas. “As versões da mecânica quântica são confusas e complicadas”, disse ele. “Quero descobrir o que você precisa no mínimo para obter esses comportamentos. É essencializar a física. ”
Liderar um grande laboratório não impediu Irvine de realizar seus próprios experimentos pequenos e particulares. Em uma pequena sala marcada como “armazenamento” fora do laboratório principal, ele mantém um micro-laboratório independente que consiste em algumas centenas de tampos espalhados por um quadro branco colocado no chão. “Eles agem como um fluido”, disse ele. “Eles são a fonte de muitas boas ideias para mim. No final do dia, tudo gira em torno. ” Quando o laboratório foi temporariamente fechado pela pandemia, Irvine trouxe os tops para casa para fazer experiências em sua sala de estar.
Mas é a turbulência que está chamando muita atenção no laboratório de Irvine atualmente. Tendo montado o playground perfeito para criar, combinar e medir vórtices e sua helicidade, Irvine e Matsuzawa há quatro anos começaram a explorar novas variações do tema. Eles dispararam diferentes números de loops de vórtice no tanque, em diferentes frequências, muitas vezes fazendo com que se combinassem de maneiras interessantes. Às vezes, eles criavam manchas de turbulência, mas tendiam a se separar rapidamente. Mas quando eles tentaram um hidrofólio em forma de cubo que produziu oito anéis convergindo para um único ponto, a turbulência resultante pareceu persistir por alguns momentos. Então eles tentaram atirar em oito anéis rapidamente seguidos por outros oito: A turbulência durou ainda mais. No final, eles descobriram que a mancha turbulenta persistia enquanto a barragem continuava chegando. O blob nasceu.
A turbulência sempre foi muito complexa para ser analisada ou mesmo medida com precisão. Matsuzawa a chama de “sopa de vorticidade” – ela pega todas as complexidades de vórtices individuais e, em seguida, mistura-os em uma confusão emaranhada e turbulenta de redemoinhos e redemoinhos sem borda distinta, que abrangem escalas desde o enorme até o submicroscópico, todos continuamente surgindo, transformando-se descontroladamente, fundindo-se, separando-se e desaparecendo a cada momento. Lathrop observa que os físicos não conseguem nem mesmo concordar sobre uma definição clara de turbulência, ou se a turbulência observada em, digamos, um tubo é o mesmo fenômeno que a turbulência vista nas pontas das asas de uma aeronave. “Não temos certeza do que é turbulência”, disse ele. “É surpreendente que ainda estejamos neste ponto, dado o progresso que fizemos em todas as outras áreas da física.”
Uma coisa é certa: a turbulência é caótica – o que significa que seu comportamento é hipersensível a qualquer mudança, incluindo a velocidade, o volume e a direção do fluxo, as formas das superfícies ao seu redor e muito mais. O resultado é que mesmo uma imprecisão infinitesimal em qualquer medição da turbulência é suficiente para descartar qualquer análise de como ela pode evoluir. Não que isso tenha importado muito, porque não tem havido uma boa maneira de obter qualquer outra, a não ser as medições mais grosseiras dos muitos redemoinhos e espirais que mudam rapidamente na turbulência que se manifestam em escalas que variam por um fator de até 10.000. Os pesquisadores geralmente se contentam em medir repetidamente a velocidade do fluxo em vários pontos da turbulência. Para criar turbulência no laboratório, eles tiveram que correr água corrente ou ar através de uma malha ou outra semi-obstrução para interromper o fluxo suave – o que significa que os resultados foram na verdade uma combinação de atividade turbulenta e não turbulenta que era difícil de separar . “Eu dou crédito a eles por terem descoberto algo sobre turbulência com essas ferramentas”, disse Irvine.
Uma bolha de turbulência autocontida e persistente construída de vórtices bem caracterizados oferece um novo mundo de possibilidades para medição e análise. É uma forma mais simples e estável de turbulência, não corrompida por fluxos, superfícies e objetos circundantes – um brinquedo para pesquisadores de turbulência, posando para todas as imagens de alta potência que Irvine e Matsuzawa se preocupam em fazer. Eles podem observar e medir com precisão enquanto os loops de vórtice se fundem e evoluem para turbulência, analisar seu estado estacionário, submetê-lo a várias forças e ajustes para ver como ele responde e então parar de alimentá-lo e estudar sua decadência.
Mas de todos os insights que Irvine espera extrair dessa plataforma de observação abundante, seu alvo principal é familiar. “A turbulência é o teste mais difícil de conservação da helicidade”, disse ele. “Mas porque estamos construindo a turbulência um vórtice de cada vez, sabemos quanta helicidade estamos colocando nela. Então, podemos martelar na helicidade para ver o que acontece com ela. ”
Por mais ansioso que esteja para fazer progresso com o blob, Irvine disse que ele e Matsuzawa estão provavelmente a pelo menos um ano de um artigo publicado, embora Irvine tenha começado a discuti-lo em conferências.
Por enquanto, pelo menos, o blob parece muito confortável exatamente onde está.
Publicado em 05/09/2020 17h16
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